WO2026018331A1 - 解析処理システム - Google Patents

解析処理システム

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WO2026018331A1
WO2026018331A1 PCT/JP2024/025618 JP2024025618W WO2026018331A1 WO 2026018331 A1 WO2026018331 A1 WO 2026018331A1 JP 2024025618 W JP2024025618 W JP 2024025618W WO 2026018331 A1 WO2026018331 A1 WO 2026018331A1
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WO
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instantaneous frequency
measured
analysis
light
fluctuations
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PCT/JP2024/025618
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French (fr)
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達也 岡本
大輔 飯田
優介 古敷谷
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NTT Inc
NTT Inc USA
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc USA
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for

Definitions

  • This disclosure relates to technology for analyzing the spectrum of backscattered light from an object under measurement.
  • OFDR Optical Frequency Domain Reflectometry
  • OFDR optical Frequency Domain Reflectometry
  • spectrogram time-series data
  • Non-Patent Document 1 such OFDRs suffer from degradation of spatial resolution due to fiber noise (e.g., acoustics and fiber vibrations) originating from the environment surrounding the optical fiber, making it impossible to achieve the theoretical spatial resolution. This degradation of spatial resolution limits the measurement distance of the OFDR.
  • fiber noise e.g., acoustics and fiber vibrations
  • the measurement distance is limited not only by noise from the OFDR measuring instrument itself, but also by fiber noise caused by the environment in which the object being measured is located, making it difficult to apply OFDR to field environments.
  • fiber noise accumulates the longer the fiber length, making it difficult to apply it to long-distance measurements (for example, measurements of 100 m or more).
  • the present disclosure aims to provide technology that can compensate for the effects of noise caused by the environment in which the object being measured is placed.
  • the analysis device and method disclosed herein employ a technique that analyzes fluctuations in the instantaneous frequency of intensity at a specific point in the longitudinal direction of the object being measured, and compensates for the fluctuations in instantaneous frequency based on the analysis results.
  • the analysis device of the present disclosure includes: A measuring device that irradiates light onto an object to be measured and measures the intensity distribution of scattered light in the object to be measured analyzes fluctuations in instantaneous frequency of intensity at a predetermined point in the longitudinal direction of the object to be measured; The fluctuation of the instantaneous frequency is compensated for based on the analysis result of the fluctuation of the instantaneous frequency.
  • generating a spectrogram showing the change over time of the instantaneous frequency of the intensity at the predetermined point by short-time Fourier transform obtaining a modulation of the instantaneous frequency that causes the fluctuation from the spectrogram; obtaining a phase modulation of the instantaneous frequency by time-integrating the modulation of the instantaneous frequency; Fluctuations in the instantaneous frequency may be compensated for by multiplying the intensity at the predetermined point by a signal having an opposite phase to the phase modulation.
  • the analysis method of the present disclosure includes: Incidentally, light is incident on an object to be measured, and the intensity distribution of scattered light in the object to be measured is measured; Analyzing the fluctuation of instantaneous frequency of intensity at a predetermined point in the longitudinal direction of the object to be measured; The fluctuation of the instantaneous frequency is compensated for based on the analysis result of the fluctuation of the instantaneous frequency.
  • This disclosure makes it possible to compensate for the effects of noise caused by the environment in which the object being measured is placed.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an analysis processing system according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the problem of the present disclosure, showing a spectrum in the absence of fiber noise.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the problem of the present disclosure, showing a spectrum in the presence of fiber noise.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the spread of a spectrum. 10 is a graph illustrating a beat signal. 10 is a graph illustrating a reflected light intensity distribution. 10 is a graph illustrating a beat signal at a reflection point. 1 is a graph illustrating a spectrogram. 1 is a graph illustrating beat frequency modulation. 1 is a graph illustrating phase modulation.
  • the analysis processing system according to the first embodiment includes an OFDR measuring instrument 100 and an analysis device 200.
  • the OFDR measuring instrument 100 measures the spectrum of backscattered light reflected or scattered by an optical fiber under test based on the principle of OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry).
  • the analysis device 200 acquires and analyzes the spectral data obtained by the OFDR measuring instrument 100.
  • the analysis device 200 functions as the analysis device of the present disclosure and can be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided via a network.
  • the tunable light source 2 emits frequency-modulated light.
  • the coupler 3-1 splits the light from the tunable light source 2 into reference light and probe light.
  • the probe light split by the coupler 3-1 is incident on the optical fiber 1 under test via the circulator 4.
  • the optical fiber 1 under test is an example of an "object under test.”
  • the object under test is not limited to optical fibers and may be other optical devices.
  • the coupler 3-2 combines the signal light, which is backscattered light from the optical fiber 1 under test, with the reference light split by the coupler 3-1.
  • the balanced optical receiver 5 receives the interference light combined by the coupler 3-2. This interference light has a beat frequency corresponding to the difference in optical path length between the reference light and the probe light.
  • the AD converter 6 converts the output signal from the balanced optical receiver 5 into a digital signal.
  • the analysis device 200 analyzes the digital signal from the AD converter 6.
  • the analysis principle of the analysis device 200 will be described with reference to Figures 2 to 4.
  • the tunable light source 2 oscillates frequency-swept light whose frequency is swept at a constant sweep rate ⁇ .
  • the optical frequency ⁇ ⁇ t.
  • a spectrum with a sharp peak can be obtained by subjecting the beat signal to a fast Fourier transform (FFT).
  • FFT fast Fourier transform
  • This broadening can be large enough to include multiple peaks corresponding to reflection points in the absence of fiber noise, as shown in Figure 4.
  • Figure 4 shows a case where the spectral broadening is large enough to include N peaks corresponding to delays from t0 to tN in the absence of fiber noise. In other words, in the presence of fiber noise, the theoretical spatial resolution cannot be achieved without any processing.
  • This type of spectral broadening occurs because the period of frequency modulation due to fiber noise is short compared to the measurement time of the beat signal. Specifically, if the time width of the fast Fourier transform is sufficiently shorter than the period of frequency modulation, the spectrum will not broaden even if the instantaneous frequency fluctuates from time to time due to fiber noise. On the other hand, if the time width of the fast Fourier transform is longer than the period of frequency modulation, fluctuations in the instantaneous frequency will broaden the spectrum.
  • the analysis device 200 is used to analyze the instantaneous frequency of the beat signal (fiber noise) through time-frequency analysis such as a short-time Fourier transform, and the spectral broadening is compensated for.
  • the analysis processing system of the present disclosure includes: an analysis device 200; an OFDR measuring device 100 that inputs light into an optical fiber 1 and measures the intensity distribution of scattered light in the optical fiber 1; Equipped with.
  • Figs. 5 to 12 show measurement results obtained when fiber noise is simulated by manually shaking the bundled optical fibers 1 under test. Below, a case where beat signals at reflection points at a predetermined distance are compensated for will be described. However, the technology disclosed herein can be used to compensate for beat signals at reflection points at any distance.
  • FIG 5 shows the beat signal obtained by the OFDR measurement device 100.
  • the OFDR measurement device 100 sends this beat signal to the analysis device 200.
  • the analysis device 200 performs a fast Fourier transform on the beat signal to obtain the reflected light intensity distribution (spectrum). As shown in the reflected light intensity distribution, the spectrum broadens near the reflection point.
  • the analysis device 200 uses a bandpass filter 7 to extract beat signals at reflection points from the reflected light intensity distribution.
  • the bandpass filter 7 may extract beat signals at reflection points depending on the distance range over which fluctuation compensation is performed.
  • the "reflection point” referred to in this disclosure may be a single point or any section including that single point.
  • the "reflection point” is an example of a "predetermined point” in this disclosure.
  • the analysis device 200 uses a short-time Fourier transform to obtain a spectrogram of the beat signal at the reflection point.
  • the short-time Fourier transform generates a spectrogram that shows the change in instantaneous frequency of intensity over time at a specified point.
  • the time width of the window function of the short-time Fourier transform may be set shorter than the speed of frequency fluctuations of the fiber noise (the period of frequency modulation).
  • the bandpass filter 7 may be configured to extract beat signals for each point within a specified distance range, perform a short-time Fourier transform on the multiple beat signals, obtain multiple spectrograms, and then perform the following processing.
  • the analysis device 200 analyzes the beat frequency that gives a peak at each time in the spectrogram obtained by short-time Fourier transform (peak analysis) and calculates the beat frequency modulation due to fiber noise. In other words, the instantaneous frequency modulation that caused the fluctuations is obtained from the spectrogram. As shown in Figure 10, the analysis device 200 time-integrates the beat frequency modulation and calculates the phase modulation due to fiber noise. In other words, by time-integrating the instantaneous frequency modulation, the phase modulation of the instantaneous frequency is obtained. In other words, by integrating the fluctuations in the beat frequency calculated in Figure 9 over time, a graph showing the phase change of the beat signal is obtained.
  • the analysis device 200 obtains a beat signal compensated for fiber noise by multiplying the beat signal at the reflection point shown in Figure 7 by a signal that is in the opposite phase to the phase modulation shown in Figure 10.
  • the beat signal shown in Figure 7 does not undergo any phase processing, and therefore contains phase information of the fiber noise. Therefore, as described above, a beat signal compensated for fiber noise can be obtained by multiplying it by a signal that is in the opposite phase to the phase modulation of the fiber noise obtained by processing involving a short-time Fourier transform.
  • the analysis device 200 performs a fast Fourier transform on the beat signal that has been compensated for fiber noise to obtain a reflected light intensity distribution (spectrum) with the fiber noise removed.
  • a reflected light intensity distribution (spectrum) with the fiber noise removed.
  • the analysis device 200 performs a fast Fourier transform on the beat signal that has been compensated for fiber noise to obtain a reflected light intensity distribution (spectrum) with the fiber noise removed.
  • the reflected light intensity distribution by performing the above processing to compensate for fiber noise, it is possible to obtain sharp peaks with reduced spectral broadening.
  • by compensating for fiber noise using the method of this embodiment it is possible to compensate for degradation in spatial resolution and achieve theoretical spatial resolution. Specifically, it is possible to reduce spectral broadening to approximately 625 ⁇ m (1/160 GHz) for 3 dB fiber noise.
  • OFDR can be applied to long-distance measurements. For example, the position of a break point several kilometers away in an optical fiber line can be measured with mm resolution, which can be used to check the number of free ports on a splitter in a remote closure.
  • the analysis processing system according to the second embodiment includes an OFDR measurement device 101 for performing relative distance measurement OFDR and an analysis device 201.
  • the analysis device 201 functions as the analysis device of the present disclosure and can be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided via a network.
  • the OFDR measuring instrument 101 includes a tunable light source 2, a coupler 3, a circulator 4, a pair of balanced optical receivers 5-1 and 5-2, an AD converter 6, an optical delay device 8, an optical 90-degree hybrid 9, and a pair of low-pass filters 10-1 and 10-2.
  • the analyzing device 201 includes a band-pass filter 7, similar to the analyzing device 200 in the first embodiment.
  • the coupler 3 splits the light from the tunable light source 2 into reference light and probe light.
  • the probe light split by the coupler 3 is input to the optical fiber 1 under test via the circulator 4.
  • the reference light split by the coupler 3 is input to the optical delay device 8.
  • the reference light which has been input to the optical delay device 8 and has its delay adjusted, and the signal light, which is backscattered light from the optical fiber 1 under test, interfere in the optical 90-degree hybrid 9.
  • the optical 90-degree hybrid 9 generates an in-phase component I of a beat signal by combining the reference light and the signal light from the optical fiber 1 under test, and inputs this to the balanced optical receiver 5-1.
  • the optical 90-degree hybrid 9 also generates a quadrature component Q of a beat signal by combining the reference light, which has been phase-shifted by 90 degrees, with the signal light from the optical fiber 1 under test, and inputs this to the balanced optical receiver 5-2.
  • the AD converter 6 converts the output signals from the balanced optical receivers 5-1 and 5-2 into digital signals.
  • the analysis device 201 analyzes the digital signals from the AD converter 6.
  • Non-Patent Document 2 by delaying the reference light using an optical delayer 8, it is possible to measure the reflected light distribution centered on a point based on the amount of delay given to the reference light (see Non-Patent Document 2). Furthermore, by increasing the delay of the reference light, it is possible to overcome the short-distance measurement drawback of OFDR and measure remote points.
  • the analysis device 201 is used to analyze the instantaneous frequency of the beat signal (fiber noise) through time-frequency analysis such as a short-time Fourier transform, and the spectral broadening is compensated for.
  • the analysis device 201 of the present disclosure includes: An OFDR measuring instrument 101, which inputs light into an optical fiber 1 and measures the intensity distribution of scattered light in the optical fiber 1, analyzes fluctuations in the instantaneous frequency of the intensity at a predetermined point in the longitudinal direction of the optical fiber 1, Based on the analysis results of the fluctuations in the instantaneous frequency, the fluctuations in the instantaneous frequency are compensated for.
  • An OFDR measuring instrument 101 which inputs light into an optical fiber 1 and measures the intensity distribution of scattered light in the optical fiber 1, analyzes fluctuations in the instantaneous frequency of the intensity at a predetermined point in the longitudinal direction of the optical fiber 1, Based on the analysis results of the fluctuations in the instantaneous frequency, the fluctuations in the instantaneous frequency are compensated for.
  • the analysis processing system of the present disclosure includes: an analysis device 201; an OFDR measuring device 101 that inputs light into the optical fiber 1 and measures the intensity distribution of scattered light in the optical fiber 1; Equipped with.
  • Fig. 14 to Fig. 21 show measurement results when fiber noise is simulated by shaking the bundled optical fibers 1 to be measured by hand.
  • FIG 14 shows the beat signal obtained by the OFDR measuring instrument 101.
  • the OFDR measuring instrument 101 sends this beat signal to the analyzing device 201.
  • the analyzing device 201 performs a fast Fourier transform on the beat signal to obtain the reflected light intensity distribution (spectrum). As shown in the reflected light intensity distribution, the spectrum broadens near the reflection point.
  • the analysis device 201 uses a bandpass filter 7 to extract beat signals at reflection points from the reflected light intensity distribution.
  • the bandpass filter 7 may extract beat signals at reflection points depending on the distance range over which fluctuation compensation is performed.
  • the "reflection point” referred to in this disclosure may be a single point or any section including that single point.
  • the "reflection point” is an example of a "predetermined point” in this disclosure.
  • the analysis device 201 uses a short-time Fourier transform to acquire a spectrogram of either the I or Q component of the beat signal at the reflection point.
  • the short-time Fourier transform generates a spectrogram that shows the change in instantaneous frequency of intensity over time at a specified point.
  • the time width of the window function of the short-time Fourier transform may be set shorter than the speed of frequency fluctuations of the fiber noise (the frequency modulation period).
  • the analysis device 201 may acquire spectrograms of both the I and Q components, but because the I and Q components of the beat signal at any point extracted by the band-pass filter 7 are only 90 degrees out of phase with each other, the spectrograms will have the same waveform.
  • the objective of the present disclosure can be achieved by simply acquiring a spectrogram of either the I or Q component of the beat signal, as described above.
  • the band-pass filter 7 may extract beat signals for each point within a specified distance range, perform a short-time Fourier transform on the multiple beat signals, acquire multiple spectrograms, and then perform the following processing.
  • the analysis device 201 analyzes the beat frequency that gives a peak at each time of the spectrogram obtained by short-time Fourier transform (peak analysis) and calculates the beat frequency modulation due to fiber noise. In other words, the instantaneous frequency modulation that caused the fluctuations is obtained from the spectrogram. As shown in Figure 19, the analysis device 201 time-integrates the beat frequency modulation and calculates the phase modulation due to fiber noise. In other words, by time-integrating the instantaneous frequency modulation, the phase modulation of the instantaneous frequency is obtained. In other words, by integrating the fluctuations in the beat frequency calculated in Figure 18 over time, a graph showing the phase change of the beat signal is obtained.
  • the analysis device 201 obtains a beat signal compensated for fiber noise by multiplying the beat signal at the reflection point shown in Figure 16 by a signal that is in the opposite phase to the phase modulation shown in Figure 19.
  • the beat signal shown in Figure 16 does not undergo any phase processing, and therefore contains phase information of the fiber noise. Therefore, as described above, a beat signal compensated for fiber noise can be obtained by multiplying it by a signal that is in the opposite phase to the phase modulation of the fiber noise obtained by processing involving a short-time Fourier transform.
  • the analyzer 201 performs a fast Fourier transform on the beat signal after compensating for the fiber noise to obtain a reflected light intensity distribution (spectrum) from which the fiber noise has been removed.
  • a reflected light intensity distribution (spectrum) from which the fiber noise has been removed.
  • the analyzer 201 performs a fast Fourier transform on the beat signal after compensating for the fiber noise to obtain a reflected light intensity distribution (spectrum) from which the fiber noise has been removed.
  • a sharp peak with reduced spectral broadening can be obtained.
  • the spectral broadening can be reduced to approximately 40 ⁇ m (2.5 THz) for 3 dB of fiber noise.
  • OFDR can be applied to long-distance measurements. For example, the position of a break point several kilometers away in an optical fiber line can be measured with mm resolution, which can be used to check the number of free ports on a splitter in a remote closure.
  • step S1 the OFDR measuring device of the analysis processing system measures the beat signal by the method explained in the first and second embodiments, and sends it to the analysis device.
  • step S2 the analyzer performs a fast Fourier transform on the beat signal to obtain the reflected light intensity distribution (spectrum).
  • step S3 the analysis device uses a bandpass filter to extract beat signals at the reflection points from the reflected light intensity distribution.
  • step S5 the analysis device analyzes the beat frequency that gives the peak at each time in the spectrogram obtained by short-time Fourier transform (peak analysis) and calculates the beat frequency modulation due to fiber noise.
  • step S6 the analyzer time-integrates the beat frequency modulation and calculates the phase modulation due to fiber noise.
  • step S7 the analysis device multiplies the beat signal at the reflection point acquired in step S3 by a phase modulation that is the opposite of the phase modulation calculated in step S6, thereby acquiring a beat signal that has been compensated for fiber noise.
  • step S8 the analyzer performs a fast Fourier transform on the beat signal that has been compensated for fiber noise to obtain a reflected light intensity distribution (spectrum) with fiber noise removed.
  • the analysis devices 200, 201 of the present invention can also be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided over a network.
  • the program of the present disclosure is a program that causes a computer to realize each function of the device of the present disclosure, and is a program that causes a computer to execute each procedure of the method executed by the device of the present disclosure.
  • the technology disclosed herein can be applied to the information and communications industry.
  • Optical fiber to be measured 2 Tunable wavelength light source 3, 3-1, 3-2: Coupler 4: Circulator 5, 5-1, 5-2: Balanced photodetector 6: AD converter 7: Bandpass filter 8: Optical delay device 9: Optical 90-degree hybrid 10-1, 10-2: Lowpass filter 100, 101: OFDR measuring device 200, 201: Analysis device

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Abstract

本開示の解析装置２００は、光ファイバ１に光を入射し光ファイバ１における散乱光の強度分布を測定するＯＦＤＲ測定器１００が測定する光ファイバ１の長手方向における所定の地点の強度の瞬時周波数の揺らぎを解析し、瞬時周波数の揺らぎの解析結果に基づいて、瞬時周波数の揺らぎを補償する。

Description

解析処理システム
　本開示は、被測定対象における後方散乱光のスペクトルを解析する技術に関する。
　フィールド環境（例えば、市中）の光ファイバや光デバイスの検査技術としてＯＦＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）が知られている。ＯＦＤＲでは、レイリー後方散乱光のスペクトルの時系列データ（スペクトルグラム）に基づいて光の反射位置を区別することにより、光ファイバを分布的に測定することができる。
　このようなＯＦＤＲでは、非特許文献１に示されるように、光ファイバ周辺の環境由来のファイバ雑音（例えば、音響やファイバ振動）により、空間分解能が劣化し、理論空間分解能を実現することができない。この空間分解能の劣化によりＯＦＤＲの測定距離が制限される。
　このように、ＯＦＤＲ測定器自体の雑音だけでなく、被測定対象のおかれた環境に起因するファイバ雑音に応じて測定距離が制限されるため、ＯＦＤＲのフィールド環境への適用が困難となっていた。特に、ファイバ雑音はファイバ長が長くなる程蓄積されるため、遠距離測定への適用（例えば、１００ｍ以上の測定への適用）は難しいという課題がある。
Ｙ．　Ｋｏｓｈｉｋｉｙａ，　Ｘ．　Ｆａｎ　ａｎｄ　Ｆ．　Ｉｔｏ，　"Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒｓ　ｉｎ　ｐｈａｓｅ－ｎｏｉｓｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｍａｉｎ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ"，　Ｊ．　Ｌｉｇｈｔｗ．　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，　ｖｏｌ．　２８，　ｎｏ．　２２，　ｐｐ．　３３２３－３３２８，　Ｎｏｖ．　２０１０． Ｏｋａｍｏｔｏ，　Ｔａｔｓｕｙａ，　ｅｔ　ａｌ．　"Ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｅｒｉａｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｃａｂｌｅ　ｂｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｍａｉｎ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ．"　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　３９．２１　（２０２１）：　６９４２－６９５１．
　上記の課題を解決するために、本開示は、被測定対象がおかれた環境に起因する雑音の影響を補償することが可能な技術を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本開示の解析装置及び方法は、被測定対象の長手方向における所定の地点の強度の瞬時周波数の揺らぎを解析し、当該解析結果に基づいて、瞬時周波数の揺らぎを補償するという手法を採用する。
　具体的には、本開示の解析装置は、
　被測定対象に光を入射し前記被測定対象における散乱光の強度分布を測定する測定装置が測定する前記被測定対象の長手方向における所定の地点の強度の瞬時周波数の揺らぎを解析し、
　前記瞬時周波数の揺らぎの解析結果に基づいて、前記瞬時周波数の揺らぎを補償する。
　また、短時間フーリエ変換により前記所定の地点における強度の前記瞬時周波数の経時変化を示すスペクトログラムを生成し、
　前記スペクトログラムから揺らぎの原因となった前記瞬時周波数の変調を取得し、
　前記瞬時周波数の変調を時間積分することで、前記瞬時周波数の位相変調を取得し、
　前記所定の地点における強度に前記位相変調の逆位相の信号を乗算することで、前記瞬時周波数の揺らぎを補償してもよい。
　また、具体的には、本開示の解析処理システムは、
　上記の解析装置と、
　被測定対象に光を入射し前記被測定対象における散乱光の強度分布を測定する測定装置と、
　を備える、
　また、本開示の解析方法は、
　被測定対象に光を入射し前記被測定対象における散乱光の強度分布を測定し、
　前記被測定対象の長手方向における所定の地点の強度の瞬時周波数の揺らぎを解析し、
　前記瞬時周波数の揺らぎの解析結果に基づいて、前記瞬時周波数の揺らぎを補償する。
　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、被測定対象がおかれた環境に起因する雑音の影響を補償することができる。
本開示の第１の実施形態にかかる解析処理システムの構成を説明する図である。 本開示の課題を説明する図であり、ファイバ雑音が存在しない場合のスペクトルを示す。 本開示の課題を説明する図であり、ファイバ雑音が存在する場合のスペクトルを示す。 スペクトルの広がりを説明する図である。 ビート信号を説明するグラフである。 反射光強度分布を説明するグラフである。 反射点のビート信号を説明するグラフである。 スペクトログラムを説明するグラフである。 ビート周波数変調を説明するグラフである。 位相変調を説明するグラフである。 ファイバ雑音を補償したビート信号を説明するグラフである。 ファイバ雑音を除去した反射光強度を説明するグラフである。 本開示の第２の実施形態にかかる解析処理システムの構成を説明する図である。 ビート信号を説明するグラフである。 反射光強度分布を説明するグラフである。 反射点のビート信号を説明するグラフである。 スペクトログラムを説明するグラフである。 ビート周波数変調を説明するグラフである。 位相変調を説明するグラフである。 ファイバ雑音を補償したビート信号を説明するグラフである。 ファイバ雑音を除去した反射光強度を説明するグラフである。 解析装置による処理を説明するフローチャートである。
　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。
　（第１実施形態）
　［システム構成］
　図１に基づいて、本開示の第１の実施形態にかかる解析処理システムのシステム構成について説明する。第１の実施形態にかかる解析処理システムは、ＯＦＤＲ測定器１００及び解析装置２００を備える。ＯＦＤＲ測定器１００は、ＯＦＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）の原理により、被測定光ファイバで反射又は散乱された後方散乱光のスペクトルを測定する。解析装置２００は、ＯＦＤＲ測定器１００で得られたスペクトルデータを取得し解析する。解析装置２００は、本開示の解析装置として機能し、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。
　ＯＦＤＲ測定器１００は、周波数掃引光源である波長可変光源２（Ｔｕｎａｂｌｅ　Ｌｉｇｈｔ　Ｓｏｕｒｃｅ：ＴＬＳ）、カプラ３－１、３－２、サーキュレータ４、バランス型受光器５（Ｂａｌａｎｃｅｄ　Ｐｈｏｔｏ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＢＰＤ）、及び、ＡＤ（Ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－Ｄｉｇｉｔａｌ）変換器６を備える。ＯＦＤＲ測定器１００は、本開示における「測定装置」として機能する。解析装置２００は、バンドパスフィルタ７（Ｂａｎｄ－Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ：ＢＰＦ）を備える。
　波長可変光源２は、周波数が変調された光を発振する。カプラ３－１は、波長可変光源２からの光を参照光とプローブ光とに分岐する。カプラ３－１によって分岐されたプローブ光は、サーキュレータ４を介して、被測定光ファイバ１に入射される。被測定光ファイバ１は「被測定対象」の一例である。被測定対象は、光ファイバに限定されず、他の光デバイスであってもよい。カプラ３－２は、被測定光ファイバ１での後方散乱光である信号光と、カプラ３－１によって分岐された参照光とを合波する。バランス型受光器５は、カプラ３－２で合波された干渉光を受光する。この干渉光は、参照光の光路とプローブ光の光路との光路長差に応じたビート周波数を有する。ＡＤ変換機６は、バランス型受光器５の出力信号をデジタル信号に変換する。解析装置２００は、ＡＤ変換器６からのデジタル信号を解析する。
　［解析原理］
　図２から図４に基づいて、解析装置２００による解析原理について説明する。図２に示されるように、波長可変光源２は、周波数が一定の掃引速度γで掃引される周波数掃引光を発振するものとする。ここで、光周波数ν＝γｔである。図２に示されるように、被測定光ファイバ１周辺の環境由来によるファイバ雑音（例えば、音響やファイバ振動）が存在しない場合には、遅延τ１からの後方散乱光によるビート周波数ｆｂｅａｔ＝γτ１は変調することなく、きれいな波形のビート信号が得られる。当該ビート信号を高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：ＦＦＴ）することで、鋭いピークを有するスペクトルを取得することができる。
　一方、図３に示されるように、被測定光ファイバ１周辺の環境由来によるファイバ雑音が存在する場合、その後方散乱光は、ファイバ雑音により周波数変調される。これに応じて、後方散乱光によるビート周波数も変調される。このため、ビート信号を高速フーリエ変換する場合に、反射点に対応するスペクトルに一定の広がり（周波数の広がり）が発生することがある。
　図４に示されるように、このような広がりは、ファイバ雑音が無い場合の反射点に対応するピークを複数含む程度に大きくなる場合もある。図４には、スペクトルの広がりが、ファイバ雑音が無い場合のｔ０からｔＮの遅延に対応するＮ個のピークを含む程度に大きい場合が示される。つまり、ファイバ雑音がある場合には、何も処理をしなければ、理論空間分解能を実現することができない。
　このようなスペクトルの広がりは、ビート信号の測定時間に比べてファイバ雑音による周波数変調の周期が短いために発生する。具体的には、高速フーリエ変換の時間幅が周波数変調の周期よりも十分短い場合、ファイバ雑音によって瞬時周波数が時刻ごとに揺らいでも、スペクトルは広がらない。一方、高速フーリエ変換の時間幅が周波数変調の周期よりも長い場合には、瞬時周波数の揺らぎがスペクトルを広げる。
　そこで、本開示の第１実施形態では、解析装置２００を用いて、短時間フーリエ変換等の時間―周波数解析により、ビート信号の瞬時周波数（ファイバ雑音）を解析し、スペクトルの広がりを補償する。
　具体的には、本開示の解析装置２００は、
　光ファイバ１に光を入射し光ファイバ１における散乱光の強度分布を測定するＯＦＤＲ測定器１００が測定する光ファイバ１の長手方向における所定の地点の強度の瞬時周波数の揺らぎを解析し、
　瞬時周波数の揺らぎの解析結果に基づいて、瞬時周波数の揺らぎを補償する。
　また、具体的には、本開示の解析処理システムは、
　解析装置２００と、
　光ファイバ１に光を入射し光ファイバ１における散乱光の強度分布を測定するＯＦＤＲ測定器１００と、
　を備える。
　［解析処理］
　図５から図１２に基づいて、解析装置２００による解析処理について、詳細に説明する。なお、図５から図１２には、束にした被測定光ファイバ１を手で揺らすことでファイバ雑音を模擬的に発生させた場合の測定結果が示される。以下では、所定の距離における反射点のビート信号を補償する場合を説明する。ただし、本開示の技術は、任意の距離における反射点のビート信号を補償するために用いることができる。
　図５には、ＯＦＤＲ測定器１００により得られたビート信号が示される。ＯＦＤＲ測定器１００は、当該ビート信号を解析装置２００に送出する。図６に示されるように、解析装置２００は、ビート信号を高速フーリエ変換することにより、反射光強度分布（スペクトル）を取得する。反射光強度分布に示されるように、反射点近辺でスペクトルに広がりが発生している。
　図７に示されるように、解析装置２００は、バンドパスフィルタ７を用いて、反射光強度分布から反射点のビート信号を抽出する。この場合において、バンドパスフィルタ７は、どの程度の距離範囲で揺らぎの補償を行うかに応じて、反射点のビート信号を抽出してもよい。つまり、本開示にいう「反射点」は、１地点であっても、当該１地点を含む任意の区間であってもよい。また、「反射点」は、本開示における「所定の地点」の一例である。
　図８に示されるように、解析装置２００は、短時間フーリエ変換（Ｓｈｏｒｔ－Ｔｉｍｅ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いて、反射点のビート信号のスペクトログラムを取得する。つまり、短時間フーリエ変換により所定の地点における強度の瞬時周波数の経時変化を示すスペクトログラムを生成する。この場合において、短時間フーリエ変換の窓関数の時間幅は、ファイバ雑音の周波数の変動の速さ（周波数変調の周期）よりも短く設定されてもよい。なお、バンドパスフィルタ７によって、所定の距離範囲における地点毎にビート信号を抽出したうえで、当該複数のビート信号に対して短時間フーリエ変換を行い、複数のスペクトログラムを取得したうえで、以下の処理を行うように構成されていてもよい。
　図９に示されるように、解析装置２００は、短時間フーリエ変換により取得したスペクトログラムの各時刻におけるピークを与えるビート周波数を解析し（ピーク解析）、ファイバ雑音によるビート周波数変調を算出する。つまり、スペクトログラムから揺らぎの原因となった瞬時周波数の変調を取得する。図１０に示されるように、解析装置２００は、ビート周波数変調を時間積分し、ファイバ雑音による位相変調を算出する。つまり、瞬時周波数の変調を時間積分することで、瞬時周波数の位相変調を取得する。さらに言い換えると、図９において算出したビート周波数の変動を時間方向に積算することで、ビート信号の位相変化を示すグラフを取得する。
　図１１に示されるように、解析装置２００は、図７に示される反射点のビート信号に、図１０に示される位相変調とは逆位相の信号を乗算することで、ファイバ雑音を補償したビート信号を取得する。つまり、所定の地点における強度に位相変調の逆位相の信号を乗算することで、瞬時周波数の揺らぎを補償する。ここで、図７に示されるビート信号は、位相に関する処理を行っていないため、ファイバ雑音の位相情報を含んでいる。このため、上記のように、短時間フーリエ変換を伴う処理により得られるファイバ雑音の位相変調とは逆位相の信号を乗算することで、ファイバ雑音を補償したビート信号が得られる。
　図１２に示されるように、解析装置２００は、ファイバ雑音を補償したビート信号を高速フーリエ変換することで、ファイバ雑音を除去した反射光強度分布（スペクトル）を取得する。反射光強度分布に示されるように、上記の処理を行いファイバ雑音を補償することにより、スペクトルの広がりが抑制された鋭いピークを取得することができる。つまり、本実施形態の方法によりファイバ雑音を補償することで、空間分解能の劣化を補償し、理論空間分解能を実現することができる。具体的には、３ｄＢのファイバ雑音に対しスペクトルの広がりを６２５μｍ（１／１６０ＧＨｚ）程度に抑制することができる。
　本実施形態によれば、ファイバ雑音を除去した反射光強度を取得することにより、ＯＦＤＲを遠距離測定へ適用可能となる。例えば、光ファイバ線路において数ｋｍ先の破断点の位置がｍｍの分解能で測定できるようになるため、遠隔地のクロージャ内のスプリッタの空きポートの数のチェックなどに応用することができる。
　（第２実施形態）
　［システム構成］
　図１３に基づいて、本開示の第２の実施形態にかかる解析処理システムのシステム構成について説明する。第２の実施形態にかかる解析処理システムは、相対距離測定ＯＦＤＲを行うためのＯＦＤＲ測定器１０１及び解析装置２０１を備える。解析装置２０１は、本開示の解析装置として機能し、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。
　ＯＦＤＲ測定器１０１は、波長可変光源２、カプラ３、サーキュレータ４、一対のバランス型受光器５－１、５－２、ＡＤ変換器６、光遅延器８、光９０度ハイブリッド９、及び、一対のローパスフィルタ１０－１、１０－２を備える。解析装置２０１は、第１の実施形態における解析装置２００と同様に、バンドパスフィルタ７を備える。
　カプラ３は、波長可変光源２からの光を参照光とプローブ光とに分岐する。カプラ３によって分岐されたプローブ光は、サーキュレータ４を介して、被測定光ファイバ１に入射される。一方、カプラ３によって分岐された参照光は、光遅延器８に入力される。光遅延器８に入力され遅延量が調整された参照光と、被測定光ファイバ１での後方散乱光である信号光とは、光９０度ハイブリッド９において干渉する。
　光９０度ハイブリッド９は、参照光と被測定光ファイバ１からの信号光とを合波したビート信号の同相成分Ｉを生成し、バランス型受光器５－１に入力する。また、光９０度ハイブリッド９は、９０度位相シフトさせた参照光と被測定光ファイバ１からの信号光とを合波したビート信号の直交成分Ｑを生成し、バランス型受光器５－２に入力する。
　バランス型受光器５－１は、光９０度ハイブリッド９からの入力に基づき、ビート信号の同相成分Ｉのアナログ電気信号を取得し、ローパスフィルタ１０－１を介して、ＡＤ変換器６に入力する。バランス型受光器５－２は、光９０度ハイブリッド９からの入力に基づき、ビート信号の直交成分Ｑのアナログ電気信号を取得し、ローパスフィルタ１０－２を介して、ＡＤ変換器６に入力する。なお、本実施形態において、ローパスフィルタ１０－１、１０－２は、所定の周波数成分のみを取得するために設けられているが、必須の構成ではなく、被測定対象の全長に応じて設けられていなくてもよい。
　ＡＤ変換器６は、バランス型受光器５－１、５－２からの出力信号をデジタル信号に変換する。解析装置２０１は、ＡＤ変換器６からのデジタル信号を解析する。
　本実施形態では、光遅延器８を用いて参照光を遅延させることで、参照光に与えた遅延量を基準とした地点を中心に反射光分布を測定することができる（非特許文献２参照）。また、参照光の遅延を大きくすることで、ＯＦＤＲの欠点である短距離測定を克服し、遠隔地点を測定することができる。
　しかしながら、被測定光ファイバ長さが長くなるほどファイバ雑音が蓄積するため、相対距離測定ＯＦＤＲではファイバ雑音による空間分解能の劣化が通常のＯＦＤＲよりも顕著になる。
　そこで、本開示の第２実施形態では、解析装置２０１を用いて、短時間フーリエ変換等の時間―周波数解析により、ビート信号の瞬時周波数（ファイバ雑音）を解析し、スペクトルの広がりを補償する。
　具体的には、本開示の解析装置２０１は、
　光ファイバ１に光を入射し光ファイバ１における散乱光の強度分布を測定するＯＦＤＲ測定器１０１が測定する光ファイバ１の長手方向における所定の地点の強度の瞬時周波数の揺らぎを解析し、
　瞬時周波数の揺らぎの解析結果に基づいて、瞬時周波数の揺らぎを補償する。
　また、具体的には、本開示の解析処理システムは、
　解析装置２０１と、
　光ファイバ１に光を入射し光ファイバ１における散乱光の強度分布を測定するＯＦＤＲ測定器１０１と、
　を備える。
　［解析処理］
　図１４から図２１に基づいて、解析装置２０１による解析処理について、詳細に説明する。なお、図１４から図２１には、束にした被測定光ファイバ１を手で揺らすことでファイバ雑音を模擬的に発生させた場合の測定結果が示される。
　図１４には、ＯＦＤＲ測定器１０１により得られたビート信号が示される。ＯＦＤＲ測定器１０１は、当該ビート信号を解析装置２０１に送出する。図１５に示されるように、解析装置２０１は、ビート信号を高速フーリエ変換することにより、反射光強度分布（スペクトル）を取得する。反射光強度分布に示されるように、反射点近辺でスペクトルに広がりが発生している。
　図１６に示されるように、解析装置２０１は、バンドパスフィルタ７を用いて、反射光強度分布から反射点のビート信号を抽出する。この場合において、バンドパスフィルタ７は、どの程度の距離範囲で揺らぎの補償を行うかに応じて、反射点のビート信号を抽出してもよい。つまり、本開示にいう「反射点」は、１地点であっても、当該１地点を含む任意の区間であってもよい。また、「反射点」は、本開示における「所定の地点」の一例である。
　図１７に示されるように、解析装置２０１は、短時間フーリエ変換を用いて、反射点のビート信号のＩ成分およびＱ成分のいずれかのスペクトログラムを取得する。つまり、短時間フーリエ変換により所定の地点における強度の瞬時周波数の経時変化を示すスペクトログラムを生成する。この場合において、短時間フーリエ変換の窓関数の時間幅は、ファイバ雑音の周波数の変動の速さ（周波数変調の周期）よりも短く設定されてもよい。なお、解析装置２０１はＩ成分およびＱ成分の両方のスペクトログラムを取得してもよいが、バンドパスフィルタ７で抽出した任意の地点のビート信号のＩ成分とＱ成分とは位相が９０度ずれているだけのため、それらのスペクトログラムは同じ波形となる。このため、上記のようにビート信号のＩ成分とＱ成分とのいずれか一方のスペクトログラムを取得するだけで本開示の目的を達成することができる。また、バンドパスフィルタ７によって、所定の距離範囲における地点毎にビート信号を抽出したうえで、当該複数のビート信号に対して短時間フーリエ変換を行い、複数のスペクトログラムを取得したうえで、以下の処理を行うように構成されていてもよい。
　図１８に示されるように、解析装置２０１は、短時間フーリエ変換により取得したスペクトログラムの各時刻におけるピークを与えるビート周波数を解析し（ピーク解析）、ファイバ雑音によるビート周波数変調を算出する。つまり、スペクトログラムから揺らぎの原因となった瞬時周波数の変調を取得する。図１９に示されるように、解析装置２０１は、ビート周波数変調を時間積分し、ファイバ雑音による位相変調を算出する。つまり、瞬時周波数の変調を時間積分することで、瞬時周波数の位相変調を取得する。さらに言い換えると、図１８において算出したビート周波数の変動を時間方向に積算することで、ビート信号の位相変化を示すグラフを取得する。
　図２０に示されるように、解析装置２０１は、図１６に示される反射点のビート信号に、図１９に示される位相変調とは逆位相の信号を乗算することで、ファイバ雑音を補償したビート信号を取得する。つまり、所定の地点における強度に位相変調の逆位相の信号を乗算することで、瞬時周波数の揺らぎを補償する。ここで、図１６に示されるビート信号は、位相に関する処理を行っていないため、ファイバ雑音の位相情報を含んでいる。このため、上記のように、短時間フーリエ変換を伴う処理により得られるファイバ雑音の位相変調とは逆位相の信号を乗算することで、ファイバ雑音を補償したビート信号が得られる。
　図２１に示されるように、解析装置２０１は、ファイバ雑音を補償したビート信号を高速フーリエ変換することで、ファイバ雑音を除去した反射光強度分布（スペクトル）を取得する。反射光強度分布に示されるように、上記の処理を行いファイバ雑音を補償することにより、スペクトルの広がりが抑制された鋭いピークを取得することができる。つまり、本実施形態の方法によりファイバ雑音を補償することで、空間分解能の劣化を補償し、理論空間分解能を実現することができる。具体的には、３ｄＢのファイバ雑音に対しスペクトルの広がりを４０μｍ（２．５ＴＨｚ）程度に抑制することができる。
　本実施形態によれば、ファイバ雑音を除去した反射光強度を取得することにより、ＯＦＤＲを遠距離測定へ適用可能となる。例えば、光ファイバ線路において数ｋｍ先の破断点の位置がｍｍの分解能で測定できるようになるため、遠隔地のクロージャ内のスプリッタの空きポートの数のチェックなどに応用することができる。
　（フローチャート）
　図２２を参照しながら、本開示の解析処理システムにより解析処理のフローを説明する。
　ステップＳ１において、解析処理システムのＯＦＤＲ測定器は、第１、第２の実施形態において説明した方法によりビート信号を測定し、解析装置に送出する。
　ステップＳ２において、解析装置は、ビート信号を高速フーリエ変換することにより、反射光強度分布（スペクトル）を取得する。
　ステップＳ３において、解析装置は、バンドパスフィルタを用いて、反射光強度分布から反射点のビート信号を抽出する。
　ステップＳ４において、解析装置は、短時間フーリエ変換を用いて、反射点のビート信号のスペクトログラムを取得する。なお、ＯＦＤＲ測定器が相対距離測定ＯＦＤＲ測定器である場合には、解析装置は、短時間フーリエ変換を用いて、反射点のビート信号のＩ成分およびＱ成分のいずれかのスペクトログラムを取得してもよい。
　ステップＳ５において、解析装置は、短時間フーリエ変換により取得したスペクトログラムの各時刻におけるピークを与えるビート周波数を解析し（ピーク解析）、ファイバ雑音によるビート周波数変調を算出する。
　ステップＳ６において、解析装置は、ビート周波数変調を時間積分し、ファイバ雑音による位相変調を算出する。
　ステップＳ７において、解析装置は、ステップＳ３で取得した反射点のビート信号にステップＳ６で算出した位相変調とは逆の位相変調を乗算することで、ファイバ雑音を補償したビート信号を取得する。
　ステップＳ８において、解析装置は、ファイバ雑音を補償したビート信号を高速フーリエ変換することで、ファイバ雑音を除去した反射光強度分布（スペクトル）を取得する。
　上記の通り、本発明の解析装置２００、２０１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、本開示に係る装置に備わる各機能をコンピュータに実現させるためのプログラムであり、本開示に係る装置が実行する方法に備わる各手順をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
　本開示の技術は、情報通信産業に適用することができる。
１：被測定光ファイバ
２：波長可変光源
３、３－１、３－２：カプラ
４：サーキュレータ
５、５－１、５－２：バランス型受光器
６：ＡＤ変換器
７：バンドパスフィルタ
８：光遅延器
９：光９０度ハイブリッド
１０－１、１０－２：ローパスフィルタ
１００、１０１：ＯＦＤＲ測定器
２００、２０１：解析装置

Claims (4)

  1. 　被測定対象に光を入射し前記被測定対象における散乱光の強度分布を測定する測定装置が測定する前記被測定対象の長手方向における所定の地点の強度の瞬時周波数の揺らぎを解析し、
    　前記瞬時周波数の揺らぎの解析結果に基づいて、前記瞬時周波数の揺らぎを補償する、
    　解析装置。
  2. 　短時間フーリエ変換により前記所定の地点における強度の前記瞬時周波数の経時変化を示すスペクトログラムを生成し、
    　前記スペクトログラムから揺らぎの原因となった前記瞬時周波数の変調を取得し、
    　前記瞬時周波数の変調を時間積分することで、前記瞬時周波数の位相変調を取得し、
    　前記所定の地点における強度に前記位相変調の逆位相の信号を乗算することで、前記瞬時周波数の揺らぎを補償する、
    　請求項１に記載の解析装置。
  3. 　請求項１または２に記載の解析装置と、
    　被測定対象に光を入射し前記被測定対象における散乱光の強度分布を測定する測定装置と、
    　を備える、
    　解析処理システム。
  4. 　被測定対象に光を入射し前記被測定対象における散乱光の強度分布を測定し、
    　前記被測定対象の長手方向における所定の地点の強度の瞬時周波数の揺らぎを解析し、
    　前記瞬時周波数の揺らぎの解析結果に基づいて、前記瞬時周波数の揺らぎを補償する、
    　解析方法。
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