JP4441624B2 - 光ファイバを用いた歪・温度の分布測定方法及び測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバを用いて歪や温度の分布を高精度に測定する方法及び装置に関するものである。

高層ビル、橋梁、ダム、飛行機、船舶、トンネルなどの構造物のヘルスモニタリングへ適用するために、光ファイバを用いて歪または温度の分布測定を行う光ファイバセンシング技術に関する研究開発が活発に進められ、試行的な実験も実施されている。

光ファイバを用いて歪または温度の分布測定を行う光ファイバセンシング技術には、［１］光ファイバ中のブリルアン散乱を利用した方法、［２］レイリー散乱を利用した方法がある。［１］の方法は、非特許文献１に記載されているように光ファイバに光パルスを入射したときに発生する後方散乱光の１つであるブリルアン散乱光の周波数分布が光ファイバに加わる歪または温度に比例してシフトするという特性を利用して歪または温度分布を測定する方法である。また、［２］の方法は、非特許文献２、非特許文献３に記載されるように、光周波数を制御したコヒーレントＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）で得られるレイリー散乱波形がジグザグ波形を呈し、光ファイバに加わる歪または温度が変化するとジグザグ波形が変化することを利用して歪または温度分布を測定する方法である。

さらに、レイリー散乱を用いた別の方法として、コヒーレントＯＦＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）で得られるレイリー散乱波形を利用した歪または温度の分布測定方法が非特許文献４で報告されている。

しかしながら、［１］の光ファイバ中のブリルアン散乱を利用した方法を構造物のヘルスモニタリングへ適用する場合、非特許文献５に記載されているように測定精度が不足しているという課題があった。また、［２］のコヒーレントＯＴＤＲを用いた方法では、原理的に［１］のブリルアン散乱を利用した測定方法に比べ、歪または温度の変化を高感度・高精度に検出できるが、実用的ではない。さらに、レイリー散乱を用いた別の方法であるコヒーレントＯＦＤＲによる方法は、歪または温度の変化量をブリルアン散乱を利用した測定方法と同じように求めることが可能であるが、測定光の位相に関してきびしい条件が課せられることから、長距離の光ファイバの測定は難しく、したがって非特許文献４で報告されているのは２０ｍの光ファイバについて測定した結果である。

Ｔ．Ｋｕｒａｓｈｉｍａ，ｅｔ．ａｌ．，"Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ"，ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｍｕｎ．，Ｖｏｌ．Ｅ７６−Ｂ，Ｎｏ．４，ｐｐ．３８２−３９０，１９９４． 小山田、"レイリー散乱を利用した光ファイバの高感度歪分布測定法の提案"、信学技報、ＯＦＴ９８−２３，１９９８． Ｙ．Ｋｏｙａｍａｄａ，ｅｔ．ａｌ．，"Ｎｏｖｅｌ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ"，ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｍｕｎ．，Ｖｏｌ．Ｅ８９−Ｂ，Ｎｏ．５，ｐｐ．１７２２−１７２５，２００６． Ｂ．Ｊ．Ｓｏｌｌｅｒ，ｅｔ．ａｌ．，"Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ｈｅａｔｉｎｇ ｉｎ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ"，ＯＦＣ２００６，ＯＦＮ３，２００６． 呉智深、"構造ヘルスモニタリングにおける光ファイバセンシングの最近の動向"、信学会光ファイバ応用技術研究会第２種研究会資料、ＯＦＴ２００４−２−０４，２００４．

以上述べたように、従来の光ファイバを用いた歪または温度の分布方法を構造物のヘルスモニタリングへ適用するには、いずれの方法も実用性、精度、測定可能距離の面で課題があり、実用的で高精度にかつ長距離測定できる方法が求められている。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、歪や温度変化を光ファイバの軸方向にわたる分布状態として実用的で高精度にかつ長距離測定できる光ファイバを用いた歪・温度の分布測定方法及び測定装置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発明の光ファイバを用いた歪・温度の分布測定方法は、センシング用光ファイバに歪または温度変化が加わる前後で光周波数を変えながら繰り返し光パルスをセンシング用光ファイバに入射させると共に前記センシング用光ファイバから戻ってきたレイリー散乱光のデータを取得蓄積する第１のステップと、前記第１のステップで取得蓄積したデータに基づき相関ピーク周波数を求め、この相関ピーク周波数から光ファイバの歪変化量・温度変化量・光周波数変化量との関係を用いて光ファイバの軸方向の歪変化や温度変化を算出する第２のステップとよりなることを特徴とする。

また本発明の光ファイバを用いた歪・温度の分布測定方法は、センシング用光ファイバに歪または温度変化が加わる前後で光周波数νを変えながら繰り返し光パルスをセンシング用光ファイバに入射させると共に前記センシング用光ファイバから戻ってきたレイリー散乱光を取得し、散乱光パワーを光周波数νと距離ｚの関数として蓄積したデータｐ_ｕ（ν，ｚ）（変化前）とｐ_ｖ（ν，ｚ）（変化後）から周波数軸上における相互相関

を計算し、相関のピークの周波数を求め、あらかじめ求めておいた歪変化量Δε_ｃおよび温度変化量ΔＴと光周波数の変化量ｆ_ｃの関係を用いて光ファイバの軸方向の歪変化Δεおよび温度変化ΔＴを算出することを特徴とする。

また本発明は、前記光ファイバを用いた歪・温度の分布測定方法において、各位置ｚにおいて相互相関Ｒ_ｕｖ（ｆ，ｚ）が０．７以上となるピーク周波数ｆ _ｃ より光ファイバの軸方向の歪変化Δεおよび温度変化ΔＴを算出することを特徴とする。

また本発明の光ファイバを用いた歪・温度の分布測定装置は、センシング用光ファイバに歪または温度変化が加わる前後で光周波数を変えながら繰り返し光パルスをセンシング用光ファイバに入射させると共に前記センシング用光ファイバから戻ってきたレイリー散乱光のデータを取得蓄積する第１の手段と、前記第１の手段で取得蓄積したデータに基づき相関ピーク周波数を求め、この相関ピーク周波数から光ファイバの歪変化量・温度変化量・光周波数変化量との関係を用いて光ファイバの軸方向の歪変化や温度変化を算出する第２の手段とを具備することを特徴とするものである。

また本発明の光ファイバを用いた歪・温度の分布測定装置は、光周波数を安定で正確に設定でき、かつ所定量光周波数をシフトでき、連続光を出力できる光源部と、前記光源部から出た連続光を２分割する第１の光カプラと、前記第１の光カプラの一方から出た連続光をパルス化する変調器と、前記変調器からの光パルスをセンシング用光ファイバに入射させると共に前記センシング用光ファイバから戻ってきたレイリー散乱光を受光部に導く第２の光カプラと、前記第１の光カプラの他方から出た連続光であるローカル光の偏波をスクランブルする偏波制御器と、前記レイリー散乱光と前記ローカル光を混合する第３の光カップラと、前記第３の光カップラで混合されたレイリー散乱光とローカル光を検出するヘテロダイン検波器と、前記ヘテロダイン検波器からの検波信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記Ａ／Ｄコンバータからの出力信号が入力され、センシング用光ファイバに歪または温度変化が加わる前後でのレイリー散乱光のデータが蓄積でき、歪または温度変化が加わる前のレイリー散乱光パワーと歪または温度変化が加わった後のレイリー散乱光パワー間の周波数軸上における相互相関のピーク周波数と、光ファイバの歪変化量・温度変化量・光周波数変化量との関係を用いて光ファイバの軸方向の歪変化や温度変化を算出するコンピュータとを具備することを特徴とするものである。

また本発明の光ファイバを用いた歪・温度の分布測定装置は、光周波数を安定で正確に設定でき、かつ所定量光周波数をシフトでき、連続光を出力できる光源部と、前記光源部から出た連続光をパルス化する変調器と、前記変調器からの光パルスをセンシング用光ファイバに入射させると共に前記センシング用光ファイバから戻ってきたレイリー散乱光を受光部に導く光カプラと、前記光カプラからのレイリー散乱光を検出するフォトカウンティング受光部と、前記フォトカウンティング受光部からの検出信号が入力され、センシング用光ファイバに歪または温度変化が加わる前後でのレイリー散乱光のデータが蓄積でき、歪または温度変化が加わる前のレイリー散乱光パワーと歪または温度変化が加わった後のレイリー散乱光パワー間の周波数軸上における相互相関のピーク周波数と、光ファイバの歪変化量・温度変化量・光周波数変化量との関係を用いて光ファイバの軸方向の歪変化や温度変化を算出するコンピュータとを具備することを特徴とするものである。

本発明の光ファイバを用いた歪・温度の分布測定方法及び測定装置は、光ファイバに加わる歪または温度変化を高精度にかつ長距離光ファイバの軸方向にわたって分布状態を容易に測定することが可能である。本発明の光ファイバを用いた歪・温度の分布測定方法及び測定装置は、高層ビル、橋梁、ダム、飛行機、船舶、トンネルなどの構造物のヘルスモニタリングへ適用することが可能である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１（ａ），（ｂ）は本発明の実施形態に係る光ファイバを用いた歪・温度の分布測定装置を示す構成説明図である。距離分解能１０ｃｍ程度で測定を行うためには、高感度な受光器を用いる必要があり、ヘテロダイン検波器（図１（ａ））またはフォトカウンター（図１（ｂ））の使用が考えられる。

まず、図１（ａ）に示すヘテロダイン検波器を使用するシステムについて説明する。図１（ａ）に示すように、光周波数を安定で正確に設定でき、かつ所定量光周波数をシフトでき、連続光を出力できる光源部の構成の一例として、ここでは光周波数安定化ＤＦＢ−ＬＤとＳＳＢ変調器を組み合わせた構成を示す。

シアン化水素ガスなど分子の吸収線を利用して光周波数を安定化した光源（中心周波数変動幅：＜１０ＭＨｚ）１としてＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還型レーザダイオード）を使用し、光周波数を一定間隔で変えつつレイリー散乱波形を取得するために、ＤＦＢ−ＬＤから出た連続光の周波数シフタとしてＳＳＢ変調器２に通して所定量の周波数シフトを行う。前記ＳＳＢ変調器２には高周波発信器３から高周波信号が入力される。ここで示した光源部は一例であり、光周波数を安定化で正確に設定でき、かつ所定量光周波数をシフトでき、連続光を出力できるのであれば前記構成以外でもよい。

さらに、ＳＳＢ変調器２から出た連続光を第１の光カプラ４_１によって２分割し、一方を信号光、他方をローカル光とする。信号光は、光変調器６として電気光学（ＥＯ）変調器によってパルス化し、第２の光カプラ４_２を介してセンシング用光ファイバ９に入射させる。前記光変調器６にはパルスジェネレータ５からパルス信号が入力される。なお、レイリー散乱波形に偏波依存性の影響がある場合にはその影響を除去するために第１の偏波制御器（ＰＣ）７_１を用いて偏波スクランブルを行い、またパルスのパワーが不足している場合は光アンプ８を挿入して増幅する必要がある。図１（ａ）はこれらを挿入した場合を示している。

さらに、センシング用光ファイバ９から戻るレイリー散乱光は第２の光カプラ４_２を介して、３ｄＢ光カプラ１０で第１の光カプラ４_１によって分割されたローカル光と混合されて後、ヘテロダイン光検出器１１でヘテロダイン検波される。この場合、レイリー散乱光とローカル光間の偏波不整合による雑音を除去するために、ローカル光は第２の偏波制御器７_２で偏波スクランブルされる。前記ヘテロダイン光検出器１１からの検波信号はＡ／Ｄコンバータ１２でアナログ信号からデジタル信号に変換された後、コンピュータ１３に送られ、２乗平均処理の後、データ蓄積される。１周波数当りの平均回数は１０００〜１００００である。以上の測定を、ステップバイステップで光周波数を変えつつ繰返し行う。前記コンピュータ１３は、レイリー散乱光パワーの相関ピーク周波数と、光ファイバの歪変化量・温度変化量・光周波数変化量との関係を用いて光ファイバの軸方向の歪変化や温度変化を算出する。

次に、図１（ｂ）に示すフォトカウンターを使用するシステムについて説明する。図１（ｂ）に示すように、光周波数を安定で正確に設定でき、かつ所定量光周波数をシフトでき、連続光を出力できる光源部の構成の一例として、ここでは光周波数安定化ＤＦＢ−ＬＤとＳＳＢ変調器を組み合わせた構成を示す。

シアン化水素ガスなど分子の吸収線を利用して光周波数を安定化した光源（中心周波数変動幅：＜１０ＭＨｚ）１としてＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還型レーザダイオード）を使用し、光周波数を一定間隔で変えつつレイリー散乱波形を取得するために、ＤＦＢ−ＬＤから出た連続光の周波数シフタとしてＳＳＢ変調器２に通して所定量の周波数シフトを行う。前記ＳＳＢ変調器２には高周波発信器３から高周波信号が入力される。ここで示した光源部は一例であり、光周波数を安定化で正確に設定でき、かつ所定量光周波数をシフトでき、連続光を出力できるのであれば前記構成以外でもよい。

さらに、ＳＳＢ変調器２から出た連続光は、光変調器６として電気光学（ＥＯ）変調器によってパルス化し、光カプラ４を介してセンシング用光ファイバ９に入射させる。前記光変調器６にはパルスジェネレータ５からパルス信号が入力される。なお、レイリー散乱波形に偏波依存性の影響がある場合にはその影響を除去するために偏波制御器（ＰＣ）７を用いて偏波スクランブルを行い、またパルスのパワーが不足している場合は光アンプ８を挿入して増幅する必要がある。図１（ｂ）はこれらを挿入した場合を示している。

さらに、センシング用光ファイバ９から戻るレイリー散乱光は、光カプラ４を介してフォトカウンティング用光検出部１４およびカウンティングモジュール１５よりなるフォトカウンティング受光部１６に入力され、フォトカウンティング受光部１６でレイリー散乱光が検出される。前記フォトカウンティング受光部１６からの検出信号はコンピュータ１３に送られ、コンピュータ１３はレイリー散乱光のデータ蓄積、相互相関の処理を行う。１周波数当りの平均回数は１０００〜１００００である。以上の測定を、ステップバイステップで光周波数を変えつつ繰返し行う。前記コンピュータ１３は、レイリー散乱光パワーの相関ピーク周波数と、光ファイバの歪変化量・温度変化量・光周波数変化量との関係を用いて光ファイバの軸方向の歪変化や温度変化を算出する。

フォトカウンティング受光部を用いる図１（ｂ）のシステムも、基本的動作は図１（ａ）のヘテロダイン検波器を用いるシステムと同じである。異なる点は、レイリー散乱光とローカル光との混合を行わないこと、および検波信号を２乗せずに平均処理することである。また、前記述べた構成光部品は一例であり、上記機能を満たすのであれば、他の部品であっても良い。

次に本発明の測定原理を詳細に述べる。まず、光パルスの振幅を１、パルス幅をＷ、光周波数をνとして、時刻ｔ＝０にパルス中心が光ファイバに入射すると仮定する。このときの、光ファイバ中の各点でレイリー散乱されて時刻ｔにＯＴＤＲに戻る光波の電界ｅ（ｔ）を、コヒーレントＯＴＤＲのレイリー散乱波形をインパルス応答モデルを用いて解析すると次式で表すことができる。

ここで、ａ_ｉとτ_ｉはそれぞれｉ番目の散乱光の振幅と遅延時間、Ｎは光ファイバ中の全散乱点数、αは光ファイバの損失係数、ｃは真空における光速、ｎ_ｆは光ファイバの屈折率である。また、−１／２≦（ｔ−τ_ｉ）／Ｗ≦１／２のときｒｅｃｔ（（ｔ−τ_ｉ）／Ｗ）＝１であり、その他のときはｒｅｃｔ（（ｔ−τ_ｉ）／Ｗ）＝０とする。遅延時間τ_ｉはｉ番目の散乱点の入射端からの距離ｚ_ｉとτ_ｉ＝２ｎｆｚ_ｉ／ｃなる関係で結ばれる。項ｒｅｃｔ（（ｔ−τ_ｉ）／Ｗ）は光パルスが伝搬するにしたがって、散乱点の分布が変化することを表している。後方散乱光パワーｐ（ｔ）は次式で与えられる。

ｐ（ｔ）＝｜ｅ（ｔ）｜^２＝ｐ_ａ（ｔ）＋ｐ_ｂ（ｔ） （２）
ここで、ｐ_ａ（ｔ）とｐ_ｂ（ｔ）は

で与えられ、φ_ｉｊ＝２πν（τ_ｉ−τ_ｊ）である。φ_ｉｊはｉ番目の散乱点から戻る光波とｊ番目の散乱点から戻る光波の位相差を表す。なお、式（１）〜式（４）において、重要でない係数は１と置いている。

式（３）の右辺は各散乱点で散乱される光パワーを示しており、ｐ_ａ（ｔ）はその総和である。ｐ_ａ（ｔ）を時間ｔの関数として表示すると、インコヒーレントな光パルスを送信して得られるＯＴＤＲ波形となり、これは光ファイバの歪や温度および光パルスの周波数にほとんど依存しない。したがって、ｐ_ａ（ｔ）は光ファイバの歪や温度および光パルスの周波数によって変化しない。

一方、ｐ_ｂ（ｔ）は各散乱点で散乱された光波間の干渉を示している。この項はインコヒーレントな光パルスに対して零となる。これに対して、コヒーレントな光パルスが入射する場合にはＯＴＤＲ波形をジグザグ波形にする効果がある。式（４）の右辺にはｃｏｓφ_ｉｊが含まれており、φ_ｉｊ＝４πν（ｎ_ｆｓ_ｉｊ／ｃ）、ｓ_ｉｊ＝ｚ_ｉ−ｚ_ｊにより、φ_ｉｊは光周波数ν、屈折率ｎ_ｆ、および散乱点間隔ｓ_ｉｊに比例する。したがって、ｐ_ｂ（ｔ）はν、ｎ_ｆ、ｓ_ｉｊの関数となる。さらに、屈折率ｎ_ｆと散乱点間隔ｓ_ｉｊは光ファイバの歪や温度に依存するため、ｐ_ｂ（ｔ）も光ファイバの歪や温度に依存する。それゆえ、コヒーレントＯＴＤＲで測定される波形は、光ファイバに加わる歪または温度に応じて変化する。このように、光ファイバにコヒーレントな光パルスを入射して得られるＯＴＤＲ波形は、各散乱点から戻る光の干渉によって振幅揺らぎを呈する。この揺らぎ波形は、各点から戻る散乱光の振幅と散乱光間の位相差に依存し、位相差は遅延時間差と光周波数によって決定される。光ファイバに歪または温度の変化が生じた場合、光路長と屈折率が変化するために散乱光間の遅延時間差が変化し、これに伴ってＯＴＤＲ波形が変化する。

光周波数νを変えながら繰り返しレイリー散乱波形を取得し、散乱光パワーを光周波数νと距離ｚの関数ｐ（ν、ｚ）として蓄積する。ここで、ｚはｚ＝ｃｔ／２ｎ_ｆによって時刻ｔから変換した量であり、時刻ｔにＯＴＤＲのもどる散乱光の散乱中心点までの距離を表す。最初の時点ｕで測定した散乱光パワーをｐ_ｕ（ν、ｚ）とし、光ファイバに歪または温度の変化が生じた時点ｖで測定した散乱光パワーをｐ_ｖ（ν、ｚ）とする。ｐ_ｕ（ν、ｚ）とｐ_ｖ（ν、ｚ）の周波数軸上における相互関数Ｒ_ｕｖ（ｆ，ｚ）を次式により求める。

簡単のために、雑音を無視して考える。最初の時点ｕと次の時点ｖの間で歪または温度の変化がなければ、ｆ＝０においてＲ_ｕｖ（ｆ，ｚ）は最大、すなわちＲ_ｕｖ（ｆ，ｚ）＝１となる。歪または温度の変化がある場合には、ｆ＝ｆ_ｃにおいてＲ_ｕｖ（ｆ，ｚ）は最大、すなわちＲ_ｕｖ（ｆ，ｚ）＝１となる。ここで、ｆ_ｃは歪（および温度）の変化を補償してレイリー散乱波形を時点ｕにおける波形に戻すだけの光周波数の変化量を表す。なお、歪変化量Δε_ｃおよび温度変化量ΔＴと光周波数の変化量ｆ_ｃの関係は、使用する光ファイバ外周に被覆されている被覆材料や被覆する形状・径に大きく依存する。このため、歪変化量Δε_ｃおよび温度変化量ΔＴと光周波数の変化量ｆ_ｃの関係を使用する被覆光ファイバを用いてあらかじめ把握しておく必要がある。ここでは、一例として、光ファイバ外周の被覆の影響が非常に小さい場合について示す。この場合、歪変化量Δε_ｃおよび温度変化量ΔＴを補償する光周波数の変化量ｆ_ｃは次式で与えられる。

ｆ_ｃ／ν＝−（１−ｐ_ｅ）Δε≒−０．７８×Δε （６）
ｆ_ｃ／ν＝−（γ_ｓ＋γ_ｎ）ΔＴ≒−（９．２×１０^−６）ΔＴ （７）
ただし
ｐ_ｅ＝ｎ^２ｆ／２｛ｐ_１２−σ（ｐ_１１＋ｐ_１２）｝ （８）
ここで、ｐ_１１とｐ_１２は光弾性係数、σはポアソン比、γ_ｓ＝（１／ｓ_ｉｊ）（ｄｓ_ｉｊ／ｄＴ）は熱膨張係数、γ_ｎ＝（１／ｎ_ｆ）（ｄｎ_ｆ／ｄＴ）は光温度係数である。上記説明からわかるように、時点ｕと時点ｖで測定した散乱光パワーｐ_ｕ（ν、ｚ）とｐ_ｖ（ν、ｚ）から相互相関Ｒ_ｕｖ（ｆ，ｚ）を計算し、その最大値を与える光周波数の変化量ｆ_ｃから式（６）または式（７）を使用して歪変化量Δε_ｃまたは温度変化量ΔＴを求めることができる。

上記方法について、計算機シミュレーションを実施した。
図２は本発明の実施形態に係るシミュレーションでの試験光ファイバを示す構成説明図である。図２に示すように、シミュレーションを行うために７つの区間Ａ（５０ｃｍ），Ｂ（１０ｃｍ），Ｃ（９０ｃｍ），Ｄ（２０ｃｍ），Ｅ（８０ｃｍ），Ｆ（１００ｃｍ），Ｇ（５０ｃｍ）からなる全長４ｍの試験光ファイバを考える。試験光ファイバの温度は常に一定とする。初期状態（時点ｕ）では全区間における歪は零であり、時点ｖにおいては、区間Ｂ，Ｄ，Ｆに１００μεの歪が加わっているとする。上記試験光ファイバに、波長１．５μｍ、幅１ｎｓの光パルスを入射して歪分布測定を行うことを想定する。パルスの光周波数を５００ＭＨｚステップで１００ＧＨｚにわたって変化させ、各周波数においてレイリー散乱波形を取得することとし、これを計算機シミュレーションして得られた散乱光パワーを光周波数ν、散乱点までの距離ｚの関数として図３に示す。

図３は本発明の実施形態に係る試験光ファイバからのレイリー散乱光パワーｐ（ν，ｚ）を示す説明図である。図３に示すように、レイリー散乱波形は、いわば乱数のようなものであり、初期状態のパワー分布（ａ）と歪印加後のパワー分布（ｂ）を人間の目で見比べても区別がつかない。二つのパワー分布に関して、式（５）を用いて相互相関を計算した結果を図４に示す。

図４は図３のレイリー散乱光パワーから求めた相互相関を示す説明図である。図４に示すように、区間Ａ（ｚ＝０−５０ｃｍ），Ｃ（ｚ＝６０−１５０ｃｍ），Ｅ（ｚ＝１７０−２５０ｃｍ），Ｇ（ｚ＝３５０−４００ｃｍ）においてはｆ＝０、区間Ｂ（ｚ＝５０−６０ｃｍ），Ｄ（ｚ＝１５０−１７０ｃｍ），Ｆ（ｚ＝２５０−３５０ｃｍ）においてはｆ＝−１５．６ＧＨｚ付近で相関のピークが現れていることがわかる。式（６）を用いて相関のピーク周波数を歪に換算して求めた試験光ファイバ中の歪分布を実際値と比較して図５に示す。

図５は図４の結果に基づいて求めた試験光ファイバ中の歪分布（雑音がない場合）を示す特性図であり、太線はシミュレーション値、細線は実際の歪印加状態値である。なお、相関値は単なる最大値（ピーク）では意味がなく、一定以上の値となって初めて意味を持つと考えられる。このため、ここでは、相関ピークが０．７を超える位置（Ｚ）においては、ピーク周波数から換算した歪量をその位置における歪の大きさとし、０．７以下の位置における歪の大きさは、その前後の位置における歪の大きさの中間値として求めている。シミュレーション値は実際値をよく追随しており、距離分解能１０ｃｍで測定可能なことがわかる。このように、時点ｕと時点ｖで測定した散乱光パワーｐ_ｕ（ν、ｚ）とｐ_ｖ（ν、ｚ）から相互相関Ｒ_ｕｖ（ｆ，ｚ）を計算し、その最大値を与える光周波数の変化量ｆ_ｃから式（６）または式（７）を使用して歪変化量Δε_ｃまたは温度変化量ΔＴを求めることができることがシミュレーションにより確認できた。

最後に、前記シミュレーションは雑音を無視したので雑音の影響を知るために、信号対雑音比（ＳＮＲ）が１０ｄＢおよび５ｄＢの場合のシミュレーションを行った。結果を図６および図７に示す。

図６は本発明の実施形態に係る試験光ファイバに沿った歪分布（ＳＮＲ＝１０ｄＢの場合）を示す特性図であり、太線はシミュレーション値、細線は実際の歪印加状態値である。図７は本発明の実施形態に係る試験光ファイバに沿った歪分布（ＳＮＲ＝５ｄＢの場合）を示す特性図であり、太線はシミュレーション値、細線は実際の歪印加状態値である。

図６より、ＳＮＲ＝１０ｄＢの場合には、雑音の影響をあまり受けないことがわかる。シミュレーション結果と実際値との差は１με以下である。ブリルアン散乱を利用した歪分布測定器による測定誤差は１０〜５０μεと報告されており、これに比べると、本測定法による誤差は１〜２桁小さくなることが期待できる。図７より、ＳＮＲ＝５ｄＢとなると、区間Ｂ（ｚ＝５０−６０ｃｍ）における歪が測定されなくなることがわかる。

これらの結果より、本測定法では、概略１０ｄＢ以上のＳＮＲが必要と考えられる。ヘテロダイン検波型（図１（ａ））の場合、パルス幅を１ｎｓ（距離分解能１０ｃｍ対応）、受信器帯域幅を１ＧＨｚ、光ファイバへの入力パワーを２５ｄＢｍ、１周波数当たりの平均回数を１０^４とすると、ＳＮＲは１５ｄＢと見込まれる。したがって、必要とするＳＮＲ＝１０ｄＢに対して５ｄＢの余裕があり、これを光ファイバ損失に振り向けると（０．２５ｄＢ／ｋｍとし、往復の損失を考慮）、長さ１０ｋｍの光ファイバについて測定可能である。フォトカウンティング型（図１（ｂ））では、更なる性能向上が期待できる。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の実施形態に係る光ファイバを用いた歪・温度の分布測定装置を示す構成説明図である。 本発明の実施形態に係るシミュレーションでの試験光ファイバを示す構成説明図である。 本発明の実施形態に係る試験光ファイバからのレイリー散乱光パワーｐ（ν，ｚ）を示す説明図である。 図３のレイリー散乱光パワーから求めた相互相関を示す説明図である。 図４の結果に基づいて求めた試験光ファイバ中の歪分布（雑音がない場合）を示す特性図である。 本発明の実施形態に係る試験光ファイバに沿った歪分布（ＳＮＲ＝１０ｄＢの場合）を示す特性図である。 本発明の実施形態に係る試験光ファイバに沿った歪分布（ＳＮＲ＝５ｄＢの場合）を示す特性図である。

符号の説明

１…光周波数安定化光源、２…ＳＳＢ変調器、３…高周波発信器、４_１…第１の光カプラ、４_２…第２の光カプラ、５…パルスジェネレータ、６…光変調器、７_１…第１の偏波制御器（ＰＣ）、７_２…第２の偏波制御器、８…光アンプ、９…センシング用光ファイバ、１０…３ｄＢ光カプラ、１１…ヘテロダイン光検出器、１２…Ａ／Ｄコンバータ、１３…コンピュータ、１４…フォトカウンティング用光検出部、１５…カウンティングモジュール、１６…フォトカウンティング受光部。

Claims (6)

1. センシング用光ファイバに歪または温度変化が加わる前後で光周波数を変えながら繰り返し光パルスをセンシング用光ファイバに入射させると共に前記センシング用光ファイバから戻ってきたレイリー散乱光のデータを取得蓄積する第１のステップと、
   前記第１のステップで取得蓄積したデータに基づき相関ピーク周波数を求め、この相関ピーク周波数から光ファイバの歪変化量・温度変化量・光周波数変化量との関係を用いて光ファイバの軸方向の歪変化や温度変化を算出する第２のステップと
   よりなることを特徴とする光ファイバを用いた歪・温度の分布測定方法。
2. センシング用光ファイバに歪または温度変化が加わる前後で光周波数νを変えながら繰り返し光パルスをセンシング用光ファイバに入射させると共に前記センシング用光ファイバから戻ってきたレイリー散乱光を取得し、散乱光パワーを光周波数νと距離ｚの関数として蓄積したデータｐ_ｕ（ν，ｚ）（変化前）とｐ_ｖ（ν，ｚ）（変化後）から周波数軸上における相互相関
   

   

   を計算し、相関のピークの周波数を求め、あらかじめ求めておいた歪変化量Δε_ｃおよび温度変化量ΔＴと光周波数の変化量ｆ_ｃの関係を用いて光ファイバの軸方向の歪変化Δεおよび温度変化ΔＴを算出することを特徴とする光ファイバを用いた歪または温度の分布測定方法。
3. 各位置ｚにおいて相互相関Ｒ_ｕｖ（ｆ，ｚ）が０．７以上となるピーク周波数ｆ _ｃ より光ファイバの軸方向の歪変化Δεおよび温度変化ΔＴを算出することを特徴とする請求項２に記載の光ファイバを用いた歪または温度の分布測定方法。
4. センシング用光ファイバに歪または温度変化が加わる前後で光周波数を変えながら繰り返し光パルスをセンシング用光ファイバに入射させると共に前記センシング用光ファイバから戻ってきたレイリー散乱光のデータを取得蓄積する第１の手段と、
   前記第１の手段で取得蓄積したデータに基づき相関ピーク周波数を求め、この相関ピーク周波数から光ファイバの歪変化量・温度変化量・光周波数変化量との関係を用いて光ファイバの軸方向の歪変化や温度変化を算出する第２の手段と
   を具備することを特徴とする光ファイバを用いた歪・温度の分布測定装置。
5. 光周波数を安定で正確に設定でき、かつ所定量光周波数をシフトでき、連続光を出力できる光源部と、
   前記光源部から出た連続光を２分割する第１の光カプラと、
   前記第１の光カプラの一方から出た連続光をパルス化する変調器と、
   前記変調器からの光パルスをセンシング用光ファイバに入射させると共に前記センシング用光ファイバから戻ってきたレイリー散乱光を受光部に導く第２の光カプラと、
   前記第１の光カプラの他方から出た連続光であるローカル光の偏波をスクランブルする偏波制御器と、
   前記レイリー散乱光と前記ローカル光を混合する第３の光カップラと、
   前記第３の光カップラで混合されたレイリー散乱光とローカル光を検出するヘテロダイン検波器と、
   前記ヘテロダイン検波器からの検波信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、
   前記Ａ／Ｄコンバータからの出力信号が入力され、センシング用光ファイバに歪または温度変化が加わる前後でのレイリー散乱光のデータが蓄積でき、歪または温度変化が加わる前のレイリー散乱光パワーと歪または温度変化が加わった後のレイリー散乱光パワー間の周波数軸上における相互相関のピーク周波数と、光ファイバの歪変化量・温度変化量・光周波数変化量との関係を用いて光ファイバの軸方向の歪変化や温度変化を算出するコンピュータと
   を具備することを特徴とする光ファイバを用いた歪・温度の分布測定装置。
6. 光周波数を安定で正確に設定でき、かつ所定量光周波数をシフトでき、連続光を出力できる光源部と、
   前記光源部から出た連続光をパルス化する変調器と、
   前記変調器からの光パルスをセンシング用光ファイバに入射させると共に前記センシング用光ファイバから戻ってきたレイリー散乱光を受光部に導く光カプラと、
   前記光カプラからのレイリー散乱光を検出するフォトカウンティング受光部と、
   前記フォトカウンティング受光部からの検出信号が入力され、センシング用光ファイバに歪または温度変化が加わる前後でのレイリー散乱光のデータが蓄積でき、歪または温度変化が加わる前のレイリー散乱光パワーと歪または温度変化が加わった後のレイリー散乱光パワー間の周波数軸上における相互相関のピーク周波数と、光ファイバの歪変化量・温度変化量・光周波数変化量との関係を用いて光ファイバの軸方向の歪変化や温度変化を算出するコンピュータと
   を具備することを特徴とする光ファイバを用いた歪・温度の分布測定装置。

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