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JP4985405B2 - センサ及びそれを用いた外乱測定方法 - Google Patents

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Description

この発明は、外力、熱等の外乱を検出するプローブとして内部をレーザ光が伝搬する導波路を利用し、該導波路から出力されるブルリアン散乱光のスペクトル（以下、「ブリルアンスペクトル」という）をモニタすることにより該導波路の温度（又は温度分布）及び該導波路に生じた歪み（又は歪み分布）の少なくともいずれかを測定するためのセンサ、及び該センサを用いた外乱測定方法に関するものである。
外乱検出用プローブとして光ファイバを利用し、該光ファイバの温度や歪みを測定する装置が知られている。このような測定装置は、光ファイバから検出されるブリルアン散乱光のスペクトルのモニタ技術を利用しており、該光ファイバを被測定物に取り付けたり該被測定物近傍に設置することで、該被測定物の変形や温度変化を該光ファイバに加えられる外乱として測定することができる。
例えば、被測定物の温度を測定する場合、光ファイバに所定の単色光を入力し、該光ファイバから得られるブリルアンスペクトルを検出し、検出されたブリルアンスペクトルのピーク周波数（以下、「ピーク周波数」という）に関する情報に基づいて温度を計測する技術が、非特許文献１に開示されている。なお、ブリルアン散乱とは、光ファイバ中における光と音響波との相互作用により該光が散乱する非線形現象の一つである。
非特許文献１に記載された測定技術は、ブリルアン散乱光を検出することにより得られるブリルアンスペクトルが光ファイバの温度に依存して変化するセンシング原理に基づいている。特に、非特許文献１には、２３０〜３７０Ｋ付近の温度領域においてブリルアンスペクトルのピーク周波数が、温度に対して線形に変化することが記載されている。
一方、非特許文献２には、６０Ｋ〜９０Ｋ付近においてピーク周波数と温度との関係を示すグラフは極値を持ち、ブリルアンスペクトルの線幅（以下、「スペクトル線幅」という）は温度に対して線形に変化することが記載されている。
一方、歪み測定では、従来、各種の構造物等における破壊、破損などの異常事態の予兆として生じる歪みを検知する方法として、例えば、歪みに対する電気抵抗の変化を利用した歪みゲージなどが知られていた。ところが、このような歪みゲージを用いた測定方法は、電力損失や、外部からの電磁的な干渉を受けやすいという問題があった。そのため、このひずみ測定においても、光ファイバやそれを含む光ファイバケーブルが外乱検出用プローブに適用された、ブリルアン散乱光を利用した歪み測定が注目されている。特に、ブリルアン散乱光を利用した歪み測定は、歪み分布測定に適し、また、高い分解能での測定を可能にすることから、ビルや橋などの構造物の変形診断への利用が期待されている。なお、このようなブリルアン散乱光を利用した歪み測定は、ブリルアンスペクトルのピーク周波数が、外力に起因して光ファイバケーブルに生じた歪みの大きさに対して線形に変化するセンシング原理に基づいている。
光ファイバケーブルから得られるブリルアン散乱光を利用した歪み測定方法としては、例えば、ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）、ＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）などが知られている。
特許文献１には、歪み検出用プローブとして、光ファイバと低熱膨張線材とが被覆材により一体化された光ファイバケーブルが開示されている。この光ファイバケーブルは、光ファイバが低熱膨張係数を有する線材と被覆材を介して一体化され、熱膨張、熱収縮に強く、温度の外乱を小さくできるように構成されている。この特許文献１に記載された歪み測定は、ＢＯＴＤＡなどを用いて測定することを想定している。ＢＯＴＤＡは後方散乱光を利用した測定方法で、距離分解能は約１ｍ程度である。
また、非特許文献３には、上記特許文献１のＢＯＴＤＡの距離分解能約１ｍに対し、１０ｃｍ以下の距離分解能を実現できる測定方法（ＢＯＣＤＡ）が示されている。ＢＯＴＤＡ、ＢＯＣＤＡいずれも、光ファイバの一端からプローブ光を入射し、該光ファイバの他端からポンプ光を入射する両端入射が必要となる。
図１は、光ファイバケーブルを用いたＢＯＣＤＡ方式の従来の歪み測定システムの概略構成を示す図である。図中、ＢＯＣＤＡ方式の歪み測定システムは、光源であるＬＤ（レーザダイオード）１０１、光信号を等分配するカプラ１０２、光を一方向に通過させる一方、逆方向に通さないアイソレータ１０３、光信号を増幅するアンプ１０４、３つのポートを持ちそれぞれ隣り合う１つのポートにだけカップリングするサーキュレータ１０５、受光素子であるＰＤ（フォトダイオード）１０６、光導波路である１本の光ファイバ１１１のみを含み、センサ部として機能する光ファイバケーブル１１０を備える。上述のように、ＢＯＣＤＡ方式による歪み測定では、光ファイバ１１１の一端からプローブ光を入射し、該光ファイバ１１１の他端からポンプ光を入射する両端入射が必要となる。
このＢＯＣＤＡ方式の歪み測定システムでは、ポンプ光、プローブ光が正弦波で周波数変調され、特定の位置（相関ピーク）でのみ誘導ブリルアン散乱を生じさせることで位置分解が行われる。発生させたポンプ光、プローブ光に周波数変調を施すことによって得られるブリルアンスペクトルは、ポンプ光とプローブ光の位相が揃い、両者の周波数差が一定となる相関ピークの位置における外乱情報のみを含むスペクトルとなる。そのため、局所的な歪みを測定することが可能になる。
また、非特許文献４には、各種光ファイバケーブルにおけるブリルアンスペクトルのピーク周波数と、歪み依存性、及び温度依存性に関するデータが記載されている（図２参照）。
特開２００１-１２９７０号公報 Marc Nikles, et al., "Brillouin gain spectrum characterization in Single-Mode optical fibers", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 15, NO. 10, 1997年10月 L.Thevenaz, et al., "Brillouin gain spectrum characterization in optical fibers from 1 to 1000K", Technical Digest, 16th International Conference on Optical Fiber Sensors, October 13-17 (2003), Tu2-2, p.38-41 保立和夫、新井寛、「ポンプ・プローブ時分割発生方式ＢＯＣＤＡ光ファイバ歪み分布センシング系における時間ゲート法による測定レンジの拡大」、信学技報、社団法人 電子情報通信学会、ＯＰＥ２００４-２２４（２００５-０２） Kellie Brown, et al., "Charaterization of optical fiber for optimization of Brillouin scattering based fiber optic sensor", Optical Fiber Technology 11(2005), p.131-145
発明者らは、上述のような従来技術について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、温度測定に関して、上記非特許文献２によれば、６０Ｋ〜９０Ｋを含む２００Ｋ以下の低温領域では、ブリルアンスペクトルのピーク周波数が温度に依存して非線形に変化する。そのため、上記非特許文献１記載の測定技術では、低温環境下で得られるブリルアンスペクトルのピーク周波数に対して温度を一意に決定することができない。
また、上記非特許文献２によれば、ブリルアンスペクトルの線幅（スペクトル線幅）を用いて温度を測定することが考えられる。しかしながら、このスペクトル線幅は測定誤差が大きく、該スペクトル線幅を用いた温度解析は精度が低い。
一方、歪み測定に関し、上記特許文献１記載のＢＯＴＤＡ方式や上記非特許文献３記載のＢＯＣＤＡ方式は、外乱検出用プローブである光ファイバの両端に光を入射させるため、歪み測定に際して作業性が良くない。すなわち、光ファイバの一端からプローブ光を入射し、該光ファイバの他端からポンプ光を入射する両端入射のための構造が必要となる。このため、１本の光ファイバのみを含む光ファイバケーブルが適用される場合、該光ファイバの一端を布設端までループさせなければならず、布設時の作業性が良くない上に、測定範囲も狭く、布設費用がかさんでしまう。
また、１本の光ファイバのみを含む光ファイバケーブルは、歪みと温度のいずれにも影響を受けることが知られている。被測定物の変形状態や要求される測定精度によって異なるが、通常、約１０００〜３０００μεのオーダーで歪み量が測定されることが多く、ブリルアンスペクトルのピーク周波数は歪みによって約５０〜１８０ＭＨｚ変化する。一方、温度測定は使用環境によって大きく異なるが、一般的に約２０〜５０℃の温度範囲において行われることが多く、該ピーク周波数は温度によって約３０〜１１０ＭＨｚ変化する。このようにブリルアンスペクトルのピーク周波数は歪みによる変化と温度による変化とが同じような値で変化することが多いため、外乱検出用プローブである光ファイバが受ける歪みと温度の影響を切り分けることが難しかった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、低温領域を含む広い温度範囲での正確な温度測定を可能にするとともに、温度、歪みなど、外乱の種類を正確に判別するための構造を備えたセンサ、及び該センサを用いた外乱測定方法を提供することを目的としている。
この発明に係るセンサは、外力、熱等の外乱を検出するプローブとして、１又はそれ以上の単色光成分がそれぞれ伝搬する導波路を用い、該導波路内で発生したブリルアン散乱光のスペクトル（ブリルアンスペクトル）をモニタすることにより、外乱の発生位置、種類、量等を解析するセンサに関する。この発明に係るセンサは、基本構成として、光源と、外乱検出用プローブとしてのセンサ部と、検出部と、そして、解析部を備える。
光源は、所定波長のレーザ光を出射するレーザ光源である。センサ部は、それぞれがレーザ光源からのレーザ光の一部を伝送する導波路である第１及び第２導波路を、少なくとも有する。ここで、この発明における導波路とは、光が実質的に伝搬するコア領域のことを意味し、コア領域とその周囲の光学クラッド領域からなる領域を示す。検出部は、レーザ光の入力に応じて第１及び第２導波路からそれぞれ出力されるブリルアン散乱光のスペクトルを検出する。解析部は、検出部により検出された第１及び第２導波路それぞれのブリルアンスペクトルを特徴付けるパラメータの変動に基づいて、センサ部における温度及び外乱を受けることにより該センサ部に生じる歪みの少なくともいずれかの測定値を決定する。
特に、センサ部は、外乱に対して得られるブリルアンスペクトルの変化が第１及び第２導波路間で異ならせるための構造を備える。このように複数の導波路間でブリルアンスペクトルの変化を異ならせる構造の１つとして、第１及び第２導波路に、それぞれが異なるブリルアン散乱特性を有し、具体的には、同一外乱を受けた際にブリルアンスペクトルが異なる変化を示す異種の導波路が採用されてもよい。また、複数の導波路間でブリルアンスペクトルの変化を異ならせる他の構造として、同じブリルアン散乱特性を有する複数の導波路が採用される一方、これら複数の導波路それぞれに加えられる外乱の影響を異ならせるための構造が採用されてもよい。何れの場合も、センサ部に加えられる外乱に対して異なる変化を示すブリルアンスペクトルを同時にモニタすることが可能になる。
なお、ブリルアンスペクトルを特徴付けるパラメータには、該ブリルアンスペクトルのピーク周波数（ピーク周波数）と、該スペクトルの線幅（スペクトル線幅）が含まれる。また、レーザ光源は、第１導波路に導かれる第１波長のレーザ光と、第２導波路に導かれる、該第１波長と異なる第２波長のレーザ光を出射する構造を備えてもよい。
センサ部は、第１及び第２光ファイバを含んでもよく、第１及び第２光ファイバそれぞれは、所定軸に沿って伸びたコア領域と、該コア領域の外周に設けられたクラッド領域を備える。この場合、第１光ファイバのコア領域は、上述の第１導波路に相当する。また、第２光ファイバのコア領域は、上述の第２導波路に相当する。
センサ部は、複数のコア領域を有する光ファイバを含んでもよく、これら複数のコア領域のうち第１コア領域が上述の第１導波路に相当し、第２コア領域が上述の第２導波路に相当する。クラッド領域は、これら第１及び第２コア領域を共に覆うように設けられ、この場合、クラッド領域は、第１及び第２導波路それぞれの長手方向の相対的位置を保持するための保持構造として機能する。
それぞれが異なるブリルアン散乱特性を有する導波路として、センサ部における第１及び第２導波路は、ブリルアンスペクトルのピーク周波数に関する温度依存性がそれぞれ異なるブリルアン散乱特性を有する。特に、２００Ｋ以下の低温領域において正確な温度測定を可能にするため、センサ部における第１及び第２導波路は、該ピーク周波数に関する温度依存性を示すグラフの極値温度がそれぞれ異なるブリルアン散乱特性を有するのが好ましい。また、センサ部における第１及び第２導波路は、ブリルアンスペクトルにおけるスペクトル線幅に関する温度依存性がそれぞれ異なるブリルアン散乱特性を有してもよい。
センサ部は、第１及び第２導波路を共に所定方向に沿って保持するための保持構造を有してもよい。特に、センサ部の保持構造は、レーザ光の一部が入射される第１導波路の一方の端部と対向する該第１導波路の他端と、レーザ光の一部が入射される第２導波路の一方の端部と対向する該第２導波路の他端とを光学的に接続するためのループ構造を有するのが好ましい。この場合、被測定物へのセンサ部設置等の作業性を著しく向上させることができるからである。
また、センサ部は、第１及び第２導波路それぞれを保持するための構造であって、外力が加えられたときに第１及び第２導波路それぞれに実質的に等しい歪みを生じさせる保持構造を有してもよい。この場合、センサ部の保持構造は、第１及び第２導波路の長手方向に沿って伸びる抗張力線と、第１及び第２導波路とともに抗張力線を一体的に被覆する外皮層を含む。
一方、センサ部は、温度、歪みによるブリルアンスペクトルの変化を正確に区別するための構造として、第１及び第２導波路それぞれを保持するための構造であって、センサ部における温度変化又はセンサ部に生じる歪みの少なくともいずれかが第１及び第２導波路それぞれで異ならせる保持構造を有してもよい（複数の導波路間でブリルアンスペクトルの変化を異ならせる他の構造）。
この場合、第１及び第２導波路間で外乱の影響を異ならせる構造として、センサ部の保持構造は、第１及び第２導波路の一方を、その長手方向及び径方向の少なくともいずれかに沿って移動可能な状態で保持するルース構造を含んでもよい。このようなルース構造を実現する手段として、センサ部の保持構造は、第１及び第２導波路の一方を収納する、金属又は樹脂製のチューブ及び内部に樹脂が充填されたチューブのいずれかを含むのが好ましい。また、第１及び第２導波路間で外乱の影響を異ならせる他の構造として、センサ部の保持構造は、第１及び第２導波路の一方の外周を覆う断熱材料を含んでもよい。
なお、センサ部は、第１光ファイバと第２光ファイバとを、部分的に分離することが可能な保持構造を備えてもよい。この場合、上述のループ構造が容易に実現できる。
解析部は、検出部により検出された第１及び第２導波路それぞれのブリルアンスペクトルを特徴付けるパラメータの変動に基づいて、センサ部における温度又は該センサ部に生じる歪みの少なくともいずれかの測定値を決定する。具体的には、解析部は、検出部により検出された第１及び第２導波路それぞれのブリルアンスペクトルに基づいてセンサ部に加えられた外乱に起因したブリルアンスペクトルのピーク周波数又は周波数シフトを抽出し、そして、該抽出された周波数情報に基づいてセンサ部における温度又は該センサ部に生じる歪みの少なくともいずれかに相当する物理量を求める。また、解析部は、検出部により検出された第１及び第２導波路それぞれのブリルアンスペクトルに基づいて、センサ部に加えられた外乱に起因したスペクトル線幅の変化を抽出し、そして、該抽出された線幅変化に基づいてセンサ部における温度及び該センサ部に生じた歪みの少なくともいずれかに相当する物理量を求める。
次に、この発明に係る外乱測定方法は、上述のような構造を有するセンサを用いることで実現される。具体的には、当該外乱測定方法は、レーザ光照射ステップと、検出ステップと、そして、解析ステップを備える。レーザ光照射ステップでは、レーザ光源から出射された所定波長のレーザ光が、センサ部に含まれる第１及び第２導波路それぞれに導かれる。検出ステップでは、レーザ光の入力に応じて第１及び第２導波路からそれぞれ出力されるブリルアンスペクトルが、検出部によって検出される。解析ステップでは、検出部により検出された第１及び第２導波路それぞれのブリルアンスペクトルを特徴付けるパラメータの変動に基づいて、センサ部における温度及び該センサに生じる歪みの少なくともいずれかの測定値が、解析部により決定される。
なお、この発明に係る各実施例は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。
また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施例を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の思想及び範囲における様々な変形および改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。
この発明に係るセンサ及び外乱測定方法によれば、外乱検出用プローブとして用意されたブリルアン散乱特性の異なる複数の導波路それぞれから得られるブリルアン散乱光のスペクトルをモニタすることで、２００K以下の低温領域を含むより広い温度範囲での正確な温度測定が可能になるとともに、センサ部に加わる外乱の種類を正確に検知（測定）することができる。
は、光ファイバケーブルを用いたＢＯＣＤＡ方式による従来の歪み測定システムの概略構成を示す図である。 は、各種光ファイバのブリルアンスペクトルの周波数シフト、歪み依存性、温度依存性に関するデータを示す表である。 は、この発明に係るセンサのセンサ部に適用される光ファイバケーブルの基本構造を示す断面図である。 は、センサ部に含まれる光ファイバにおけるコア領域のピーク周波数の温度依存性を示すグラフである。 は、この発明に係るセンサの第１実施例の構成を示す図である。 は、第１実施例に係るセンサのセンサ部（光ファイバケーブル）に含まれる光ファイバにおけるコア領域のブリルアンスペクトルのピーク周波数の温度依存性を示すグラフである。 は、第１実施例に係るセンサによる温度測定方法（この発明に係る外乱測定方法の第１実施例）を説明するためのフローチャートである。 は、この発明に係るセンサの第２実施例の構成を示す図である。 は、第２実施例に係るセンサによる温度測定方法（この発明に係る外乱測定方法）を説明するためのフローチャートである。 は、この発明に係るセンサのセンサ部に適用される光ファイバケーブルの種々の構造を示す断面図である（その１）。 は、この発明に係るセンサのセンサ部に適用される光ファイバケーブルの種々の構造を示す断面図である（その２）。 は、この発明に係るセンサのセンサ部（光ファイバケーブル）の設置例を説明するための図である。 は、この発明に係るセンサのセンサ部に適用される光ファイバケーブルの一構造を示す断面図である（その３）。 は、この発明に係るセンサの第３実施例の構成を示す図である。 は、この発明に係るセンサのセンサ部に適用される光ファイバケーブルの種々の構造を示す断面図である（その４）。 は、第３実施例に係るセンサ（図１４）において、センサ部である光ファイバケーブルのＺｐ点に歪みが印加したときの状態を説明するための図である。 は、この発明に係るセンサのセンサ部に適用される光ファイバケーブルの種々の構造を示す断面図であって（その５）、特に、被測定物からセンサ部への外乱の伝わり方が異なる種々の構造を示す断面図である。 は、この発明に係るセンサのセンサ部（光ファイバケーブル）に適用される光ファイバの、クラッド領域に対するコア領域の比屈折率差の温度依存性を示すグラフである。 は、この発明に係るセンサのセンサ部に適用される光ファイバケーブルの一構造を示す断面図であって（その６）、センサ部である光ファイバケーブルを構成する２本の光ファイバうち１本の光ファイバが熱伝導係数の小さい断熱部材で覆われた構造を示す断面図である。
符号の説明
１０、１０Ａ〜１０Ｋ、５０…光ファイバケーブル（センサ部）、１〜３…センサ、５…被測定物、１１…外皮、１２、１２Ａ、１２Ｂ…光ファイバ、１３…ＢＯＴＤＲ装置、１４…温度解析部、１５、１０１…レーザ光源（ＬＤ）、１６、１０６…検出部（ＰＤ）、１７…格納部、１８…抽出部、１９…決定部、２１…歪解析部、２２…歪格納部、２３…演算部、２４…歪抽出部、２５…歪決定部、５１、１２２…クラッド領域、５２、１２１…コア領域、６１…解析部、６２、１０２…カプラ、６３、１０３…アイソレータ、６４、１０４…光アンプ、６５、１０５…サーキュレータ、３２、３３、７２Ａ、７２Ｂ、８２Ａ、８２Ｂ、９２Ａ、９２Ｂ…抗張力線、７３、８３、９３…切り込み、８４…樹脂チューブ、８５…金属チューブ、８６…介在物、９４…断熱部材。
以下、この発明に係るセンサ及び外乱測定方法の各実施例を、図３〜１９を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一要素、同一部位には同一符号を付して重複する説明を省略する。
まず、この発明に係るセンサのセンサ部（外乱検出用プローブ）の代表的な適用例として、光ファイバケーブルについて図３を用いて説明する。なお、図３は、この発明に係るセンサのセンサ部に適用される光ファイバケーブル１０の基本構造を示す断面図である。この外乱検出用プローブとして適用される光ファイバケーブル１０は、図３の領域（ａ）に示されたように、２本の光ファイバ１２Ａ、１２Ｂと、これら光ファイバ１２Ａ、１２Ｂを一体的に覆うケーブル外被１１とを備える。なお、これら２本の光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれは、図３中の領域（ｂ）に示されたように、所定軸に沿って伸びるコア領域１２１と、該コア領域１２１の外周に設けられたクラッド領域１２２を備え、コア領域１２１が光導波路として機能する。
光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれのコア領域１２１内に所定波長のレーザ光が入射されると、これら光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれからブリルアン散乱光が出力される。ブリルアン散乱光は次のようにして生じる。すなわち、光ファイバ中をポンプ光が伝搬するとき、ポンプ光によって光ファイバ中に音響波が発生する。そのポンプ光と音響波との相互作用により、ポンプ光の進行方向とは逆の方向にダウンコンバートされた散乱光（ストークス光）が生じる。この散乱光がブリルアン散乱光である。
ブリルアン散乱光のスペクトル（ブリルアンスペクトル）は、以下の式（１）のローレンツ型スペクトルで表される。
Figure 0004985405
この式（１）は、ある周波数νにおけるブリルアンスペクトルの強度を示す。ｇ０、νＢ、及びΔνＢはブリルアンスペクトルを特徴付けるパラメータであり、それぞれ、ブリルアンスペクトルにおけるスペクトルの強度ピーク、スペクトルのピーク周波数、及びスペクトルの線幅である。
ブリルアンスペクトルは、光ファイバ１２Ａ、１２Ｂの温度に依存して変化する。図４は、センサ部に含まれる光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれから得られるブリルアンスペクトルについて、そのピーク周波数νＢの温度特性を示すグラフである。この図４において、横軸は温度Ｔを示し、縦軸が光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれから得られるブリルアンスペクトルのピーク周波数νＢ（Ｔ）を示す。横軸の温度範囲は、６０Ｋ〜９０Ｋを含む２００Ｋ以下の低温領域である。グラフにおいて、曲線ＬＡは光ファイバ１２Ａのブリルアンスペクトルのピーク周波数νＢ（Ｔ）を示し、曲線ＬＢは光ファイバ１２Ｂのブリルアンスペクトルのピーク周波数νＢ（Ｔ）を示す。
光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれのブリルアンスペクトルのピーク周波数νＢ（Ｔ）は、６０〜９０Ｋ付近に互いに異なる極値を持ち、約２００Ｋ以下の低温領域において温度Ｔに依存して非線形に変化する。すなわち、ブリルアンスペクトルのピーク周波数νＢ（Ｔ）は、６０〜９０Ｋ付近において温度Ｔに対する変化率が小さく、低温領域における６０〜９０Ｋ付近以外の領域において、該ピーク周波数νＢ（Ｔ）は温度Ｔに対する変化率がより大きい。
曲線ＬＡは、極値温度ＴＡにおいて点Ｘで示されたす極値を持つ。また、曲線ＬＢは、極値温度ＴＢにおいて点Ｙで示された極値を持つ。例えば、光ファイバケーブル１０が極値温度ＴＢの温度であるときに、該光ファイバケーブル１０へポンプ光が入射されると、光ファイバ１２Ａからは、点Ｚで示された値だけブリルアンスペクトルのピーク周波数が変化したブリルアン散乱光が出力され、光ファイバ１２Ｂからは、点Ｙで示された値だけブリルアンスペクトルのピーク周波数が変化したブリルアン散乱光が出力されることになる。
このように、光ファイバケーブル１０は、ブリルアンスペクトルのピーク周波数νＢ（Ｔ）の温度依存性において極値となる温度が互いに異なる光ファイバ１２Ａ、１２Ｂを含む。すなわち、光ファイバケーブル１０は、それぞれ異なるブリルアン散乱特性を有する光ファイバ１２Ａ、１２Ｂ（ブリルアンスペクトルの温度依存性が異なる）により構成されている。
光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれにおいて、ブリルアンスペクトルのピーク周波数νＢ（Ｔ）の温度依存性において極値となる温度を異ならせるためには、ドーパントの種類、ドーパントの添加濃度、又は屈折率プロファイルを、光ファイバ１２Ａ、１２B間で変更することにより実現可能である。例えば、光ファイバ１２Ａは、コア領域１２１におけるドーパントの添加濃度が０であり、極値温度ＴＡは６０Ｋ程度である。光ファイバ１２Ｂは、コア領域１２１におけるドーパントの添加濃度が２０％であり、極値温度ＴＢは９０Ｋ程度である。
（センサの第１実施例）
続いて、外乱検出用プローブとして上述のような構造を有する光ファイバケーブル１０を備えた第１実施例に係るセンサについて説明する。なお、図５は、この発明に係るセンサの第1実施例の構成を示す図である。以下、この第1実施例に係るセンサによる温度測定について詳述する。図５に示された第1実施例に係るセンサ１は、センサ部として適用された光ファイバケーブル１０と、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）装置１３と、温度解析部１４（解析手段）とを備え、被測定物５の温度を測定する。上述のように光ファイバケーブルは、光ファイバ１２Ａ、１２Bを含み、これら光ファイバ１２Ａ、１２Bは、異なるブリルアン散乱特性を有する2種類の導波路として、それぞれコア領域を備える。
ＢＯＴＤＲ装置１３は、光源１５と検出部１６とを備える。このＢＯＴＤＲ装置１３には、光ファイバケーブル１０の一端が接続されており、該光ファイバケーブル１０に含まれる光ファイバ１２Ａ、１２Ｂから出力されるブリルアン散乱光が時間の関数として測定される。
光ファイバケーブル１０に含まれる光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれのコア領域は、それぞれ光源１５が出力されたポンプ光が入力される一方、ブリルアン散乱光を含む後方散乱光を出力する。光ファイバケーブル１０は、該光ファイバケーブル１０の一部が被測定物５の表面に接触した状態で設置されている。この第1実施例において、光ファイバケーブル１０は、蛇行させた状態で被測定物５の表面に設置されている。
光ファイバケーブル１０がこのように配置されることにより、該光ファイバケーブル１０の大部分が被測定物５と接触することになる。各光ファイバ１２Ａ、１２Ｂは、当該光ファイバケーブル１０の長手方向に沿って互いにほぼ同じ温度となるようにそれぞれ保持されている。
検出部１６は、光ファイバケーブル１０に含まれる光ファイバ１２Ａ、１２Ｂのポンプ光入射端面側（光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれのコア領域の端面）からそれぞれ出力されるブリルアン散乱光のスペクトルを単位時間毎に検出する。検出部１６は、検出されたブリルアンスペクトルにおけるピーク周波数を示す検出結果を温度解析部１４へ出力する。すなわち、検出部１６は、光ファイバ１２Ａに対応する第１検出結果と、光ファイバ１２Ｂに対応する第２検出結果とを出力する。っこで、ブリルアンスペクトルのピーク周波数は、ポンプ光の周波数と連動して変化する。また、ポンプ光の周波数は、光源の温度等によって変化する。よって、ブリルアンスペクトルのピーク周波数をポンプ光の周波数との周波数差（周波数シフト）とすることで、測定精度を向上させる。
温度解析部１４は、検出部１６から出力された第１及び第２検出結果に基づいて、光ファイバケーブル１０が設置された環境の温度、すなわち、被測定物５の温度を解析する。温度解析部１４は、格納部１７と、抽出部１８と、決定部１９とを備える。
格納部１７は、温度を示す温度情報に対し、ポンプ光の周波数とブリルアンスペクトルのピーク周波数の周波数差（以下、「周波数シフト」という）を示す第１シフト情報及び第２シフト情報を関連付けて格納する。
格納部１７が格納する情報について、図６を用いてより詳しく説明する。図６は、第1実施例に係るセンサ１のセンサ部に適用された光ファイバ１２Ａのブリルアンスペクトルの周波数シフトの温度特性を示すグラフである。この図６に示された温度特性グラフにおいて、周波数シフトν１が極小値である場合、１つの周波数シフトν１に対して１つの温度Ｔ１が対応している。また、図６に示された温度特性グラフにおいて、Ｔ１Ｈより高い温度領域においても、１つの周波数シフトの値に対して１つの温度のみが対応している領域がある。これらの場合においては、光ファイバ１２Ａに関して、１つのブリルアンスペクトルの周波数シフトν１を示す第１シフト情報が関連付けられた１つの温度情報ｔ１が格納部１７によって格納される。
また、図６に示された温度特性グラフにおいて、周波数シフトν２については、２つの温度Ｔ１Ｌ、Ｔ１Ｈが対応する。このような場合、光ファイバ１２Ａに関して、１つの周波数シフトν２を示す第１シフト情報が関連付けられた２つの温度情報ｔ１Ｌ、ｔ１Ｈが格納部１７によって格納される。同様に、光ファイバ１２Ｂに関しても、１つのブリルアンスペクトルの周波数シフトの値と温度が１体
で対応する場合には、１つのブリルアンスペクトルの周波数シフトを示す第２シフト情報が関連付けられた１つの温度情報ｔ２が格納される。また、１つのブリルアンスペクトルの周波数シフトの値に対して２つの温度が対応する場合には、１つのブリルアンスペクトルの周波数シフトを示す第２シフト情報が関連付けられた２つの温度情報ｔ２Ｌ、ｔ２Ｈが格納される。
図５に戻って、抽出部１８は、検出部１６から出力された第１及び第２検出結果にそれぞれ対応する第１及び第２シフト情報が関連付けられた状態で格納部１７により格納された１つ又は２つの温度情報をそれぞれ抽出する。そして、抽出部１８は、抽出された温度情報を決定部１９へ出力する。
決定部１９は、出力された温度情報に基づいて光ファイバケーブル１０の温度を決定する。光ファイバ１２Ａについての１つの温度情報ｔ１と光ファイバ１２Ｂについての１つの温度情報ｔ２とが抽出部１８から出力されると、決定部１９は、温度情報ｔ１が示す温度Ｔ１と温度情報ｔ２が示す温度Ｔ２との平均値を光ファイバケーブル１０の温度として決定する。決定部１９は、光ファイバ１２Ａについての１つの温度情報ｔ１と光ファイバ１２Ｂについての２つの温度情報ｔ２Ｌ、ｔ２Ｈとが出力されると、温度情報ｔ１が示す温度Ｔ１と、温度情報ｔ２Ｌ、ｔ２Ｈのうち温度ｔ１により近い温度との平均値を光ファイバケーブル１０の温度として決定する。
決定部１９は、光ファイバ１２Ａについての２つの温度情報ｔ１Ｌ、ｔ１Ｈと光ファイバ１２Ｂについての１つの温度情報ｔ２とが出力されると、上述の決定プロセスと同様のプロセスを経て光ファイバケーブル１０の温度を決定する。また、決定部１９は、光ファイバ１２Ａについての２つの温度情報ｔ１Ｌ、ｔ１Ｈと光ファイバ１２Ｂについての２つの温度情報ｔ２Ｌ、ｔ２Ｈとが出力されると、互いに一致する温度、又は互いにより近い温度同士の平均値を光ファイバケーブル１０の温度として決定する。決定部１９は、決定された光ファイバ測定ケーブル１０の温度に基づいて被測定物５の温度を解析する。
次に、この第1実施例に係るセンサ１の動作として、特に温度を測定する方法（この発明に係る外乱測定方法の第1実施例）について、図７のフローチャートを用いて説明する。なお、図７は、第1実施例に係るセンサ１を用いた温度測定方法を説明するためのフローチャートである。この第1実施例に係る外乱測定方法は、センサ１を用いて、被測定物５の温度を測定する。
この第１実施例に係る外乱測定方法は、格納ステップＳＴ１と、検出ステップＳＴ２と、温度解析ステップＴＳ３とを備え、被測定物５の温度を解析する。格納ステップＳＴ１では、温度情報と、その温度に対応する第１シフト情報及び第２シフト情報とが互いに関連付けられた状態で格納部１７により予め格納される。
格納部１７によって温度情報と第１及び第２シフト情報とが格納された状態で、検出ステップＳＴ２及び温度解析ステップＳＴ３が実行される。まず、検出ステップＳＴ２では、ポンプ光が光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれへ入射され、ポンプ光の入力に応じて光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれから得られるブリルアンスペクトルが、検出部１６によって検出される。そして、検出された光ファイバ１２Ａと光ファイバ１２Ｂそれぞれのブリルアンスペクトルの周波数シフトを示す第１検出結果及び第２検出結果が、検出部１６によって温度解析部１４へ出力される。
温度解析ステップＳＴ３では、第１及び第２検出結果と対応する第１及び第２シフト情報とそれぞれ関連付けられた状態で格納部１７によって格納された第１及び第２温度情報が、抽出部１８によって抽出される。抽出された温度情報に基づいて、光ファイバケーブル１０の温度が決定部１９によって決定され、決定された温度に基づいて被測定物５の温度が解析される。
以上のように、第１実施例に係るセンサ１及びそれを用いた温度測定方法（第1実施例に係る外乱測定方法）では、ブリルアンスペクトルの温度依存性が互いに異なる複数の導波路（共通のクラッド領域によって保持された複数のコア領域であってもよく、また、複数の光ファイバそれぞれのコア領域であってもよい）それぞれから得られるブリルアンスペクトルが、検出部１６によって検出される。そして、検出されたブリルアンスペクトルを特徴付けるパラメータの変動に基づいて、光ファイバケーブル１０の温度が決定される。したがって、２００Ｋ以下の低温領域においても正確に被測定物の温度が解析され得る。
外乱検出用プローブとして１つの光ファイバのみを用いた従来の技術において、その光ファイバが被測定物５の温度付近においてブリルアンスペクトルの周波数シフトが温度特性グラフにおける極値をとる場合、その光ファイバから得られる周波数シフトのみから一意に温度を解析することはできない。これに対し、この実施例では、光ファイバ１２Ａ及び光ファイバ１２Ｂそれぞれから得られる周波数シフトに基づいて温度解析が行われるので、２００Ｋ以下の低温領域を含む温度範囲においても正確な温度解析が可能である。
また、光ファイバ１２Ａと光ファイバ１２Ｂの一方においてのみ、被測定物５の温度付近においてブリルアンスペクトルの周波数シフトが極値をとる。そのため、該一方の光ファイバから得られるブリルアンスペクトルの周波数シフトの温度に対する変化率が小さい場合（感度が悪い場合）であっても、他方の光ファイバから得られる、温度に対して感度よく検出された周波数シフトに基づいて温度解析が行われることにより、正確な温度が測定できる。
（第1実施例に係るセンサの変形例）
上述の第1実施例に係る外乱測定方法及びセンサ１では、ブリルアンスペクトルの周波数シフトの温度依存性を利用して温度を測定したが、ブリルアンスペクトルのスペクトル線幅の温度依存性を利用しても温度測定は可能である。この場合、図５に示されたセンサ１が有する各要素の機能は、以下の各点で第１実施例と異なる。
検出部１６は、検出されたブリルアンスペクトルのスペクトル線幅を示す検出結果を温度解析部１４へ出力する。すなわち、検出部１６は、光ファイバ１２Ａに対応する第１検出結果と、光ファイバ１２Ｂに対応する第２検出結果と、を出力する。
温度解析部１４は、検出部１６から出力された第１及び第２検出結果に基づいて被測定物５の温度を解析する。
格納部１７は、温度を示す温度情報を、第１線幅情報及び第２線幅情報と関連付けた状態で格納する。第１及び第２線幅情報とは、関連付けられた温度情報が示す温度において光ファイバ１２Ａと光ファイバ１２Ｂそれぞれから得られるブリルアンスペクトルのスペクトル線幅を意味する。光ファイバ１２Ａ、１２Ｂから得られるスペクトル線幅は、温度に依存して線形的に変化する。そのため、格納部１７は、１つの線幅を示す第１線幅情報と１つの温度を示す温度情報ｔ１とを関連付けた状態で格納するとともに、１つのスペクトル線幅を示す第２線幅情報と１つの温度を示す温度情報ｔ２とを関連付けた状態で格納することになる。
抽出部１８は、検出部１６から出力される第１及び第２検出結果に対応する第１及び第２線幅情報にそれぞれ関連付けた状態で格納部１７によって格納された温度情報ｔ１、ｔ２を抽出する。そして、抽出部１８は、抽出された温度情報ｔ１、ｔ２を決定部１９へ出力する。
決定部１９は、出力された温度情報ｔ１、ｔ２に基づいて光ファイバケーブル１０の温度を決定する。温度情報ｔ１と温度情報ｔ２とが抽出部１８から出力されると、決定部１９は、温度情報ｔ１が示す温度Ｔ１と温度情報ｔ２が示す温度Ｔ２との平均値を光ファイバケーブル１０の温度として決定する。決定部１９は、決定された光ファイバ測定ケーブル１０の温度に基づいて被測定物５の温度を解析する。
このように、第１実施例に係るセンサ１の変形例を利用した温度測定方法は、温度解析ステップＳＴ３において、光ファイバ１２Ａ、１２Ｂの歪量に依存しない複数のスペクトル線幅に関する情報を用いて温度解析するので、より高精度の温度測定が可能になる。
また、温度測定範囲が低温領域より広い場合、又は、ブリルアンスペクトルのスペクトル線幅が温度に対して線形に変化しない温度領域を含む場合であっても、スペクトル線幅を用いて被測定物５の温度解析が行われてもよい。その場合、ブリルアンスペクトルの周波数シフトを用いて温度解析を行う第１実施例と同様な測定方法により温度解析が行われる。すなわち、第１検出結果と第２検出結果とのうち少なくとも一方の検出結果に対して複数の温度情報が抽出された場合、互いに同じ値又はより近い値を示す第１検出結果に対応する１つの温度情報と第２検出結果に対応する１つの温度情報とがそれぞれ示す温度の平均値が光ファイバケーブル１０の温度として決定する。
なお、光ファイバケーブル１０に含まれる複数の光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれから得られるブリルアンスペクトルについて、そのスペクトル線幅の温度依存性は互いに異なってもよい。
また、光ファイバケーブル１０から得られるブリルアンスペクトルを特徴付けるパラメータとして、ブリルアンスペクトルのピーク周波数又は周波数シフト、及び、スペクトル線幅の両方を利用して被測定物５の温度解析を行ってもよい。この場合、上述の第1実施例において説明されたようにブリルアンスペクトルの周波数シフトに基づいて決定された光ファイバケーブル１０の温度と、上述の変形例において説明されたようにスペクトル線幅に基づいて決定された光ファイバケーブル１０の温度との平均値が、該光ファイバケーブル１０の温度として最終的に決定される。このように複数の光ファイバから得られるブリルアンスペクトルのピーク周波数又は周波数シフト、及び、スペクトル線幅に関する情報を利用して温度解析が行われることにより、被測定物５のより高精度の温度解析が可能になる。
（センサの第２実施例）
上述の第1実施例及び変形例に係るセンサ１、並びにそれを用いた外乱測定方法では、被測定物５の温度のみを測定したが、この第２実施例に係るセンサ及びそれを用いた外乱測定方法では、ブリルアンスペクトルを特徴付けるパラメータであるスペクトル線幅の温度依存性と周波数シフトの歪依存性とを利用して、温度と歪みを測定する。図８に示されたように、この第２実施例に係るセンサ２は、外乱検出用プローブである光ファイバケーブル１０、ＢＯＴＤＲ装置１３、温度解析部１４に加えて、歪解析部２１を備える。
光ファイバケーブル１０に含まれる複数の光ファイバ１２Ａ、１２Ｂは、上述のように、ブリルアンスペクトルの周波数シフトの温度依存性が互いに異なるブリルアンスペクトルを有する。この第２実施例では第１実施例と同様に、光ファイバケーブル１０が、被測定物５の表面に蛇行した状態で設置されている。被測定物５が歪むと、歪んだ部分に接触している光ファイバケーブル１０に歪が生じるとともに、光ファイバ１２Ａ、１２Ｂも歪む。
ＢＯＴＤＲ１３は、上述の第1実施例と同様に、光源１５と、検出部１６を備える。光源１５はポンプ光を出力し、このポンプ光が、光ファイバケーブル１０に含まれる光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれに入射される。ポンプ光の入射に応じて、光ファイバ１２Ａ、１２Ｂは、ブリルアン散乱光をそれぞれ出力する。検出部１６は、光ファイバ１２Ａ、光ファイバ１２Ｂそれぞれから出力されたブリルアンスペクトルを検出する。
検出部１６は、検出されたブリルアンスペクトルの検出結果を温度解析部１４及び歪解析部２１へ出力する。検出結果は、第１及び第２シフト検出結果と第１及び第２線幅検出結果とを含む。第１及び第２シフト検出結果とは、光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれから得られたブリルアンスペクトルの周波数シフトを意味する。一方、第１及び第２線幅検出結果とは、光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれから得られたブリルアンスペクトルのスペクトル線幅を意味する。第１及び第２線幅検出結果は温度解析部１４へ出力され、第１及び第２シフト検出結果は歪解析部２１へ出力される。
温度解析部１４は、上述の第１実施例の変形例と同様に、検出部１６から出力された第１及び第２線幅検出結果に基づいて、光ファイバケーブル１０の温度を決定する。スペクトル線幅は光ファイバケーブル１０の歪みの大きさには依存しないので、該光ファイバケーブル１０の歪みの影響を受けずに温度を決定することができる。そして、温度解析部１４は、温度解析結果を歪解析部２１へ出力する。
歪解析部２１は、歪格納部２２、演算部２３、歪抽出部２４、歪決定部２５、及び温度格納部２６を備え、第１及び第２シフト検出結果と温度解析結果とに基づいて被測定物５の歪みを解析する。
すなわち、歪格納部２２は、光ファイバケーブル１０に生じた歪み量を示す歪情報に対して、第１シフト情報及び第２シフト情報を互いに関連付けて格納する。この第１シフト情報及び第２シフト情報とは、特定の温度において、光ファイバケーブル１０がその歪量だけ歪んだ状態で光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれから得られるブリルアンスペクトルの周波数シフトを意味する。
温度格納部２６は、温度情報に対して、第１シフト情報及び第２シフト情報を互いに関連付けて格納する。
演算部２３は、検出部１６から出力された第１シフト検出結果及び第２シフト検出結果から温度解析結果に基づく温度寄与分を差し引くことで、第１歪寄与情報及び第２歪寄与情報を生成する。第１及び第２シフト検出結果は、それぞれ光ファイバ１２Ａ、１２Ｂの温度寄与分と歪寄与分とが含まれている。第１歪寄与情報とは、第１シフト検出結果が示すブリルアンスペクトルの周波数シフトのうち、光ファイバ１２Ａの歪に起因してシフトした歪寄与分の周波数シフトを意味する。第２歪寄与情報とは、第２シフト検出結果が示すブリルアンスペクトルの周波数シフトのうち、光ファイバ１２Ｂの歪に起因してシフトした歪寄与分のブ周波数シフトを意味する。
まず、演算部２３は、温度解析部１４から出力される温度解析結果に対応する温度情報と関連付けられた第１及び第２シフト情報を温度格納部２６から抽出する。演算部２３は、抽出された第１及び第２シフト情報を利用し、検出部１６から出力された第１及び第２シフト検出結果から温度解析結果に基づく温度寄与分を差し引くことで、第１歪寄与情報及び第２歪寄与情報を生成する。そして、演算部２３は、生成された第１及び第２歪寄与情報を歪抽出部２４へ出力する。
歪抽出部２４は、第１歪寄与情報が示すブリルアンスペクトルの周波数シフトに対応する第１シフト情報と関連付けて格納された歪情報を、第１歪情報として歪格納部２２から抽出する。同様に、歪抽出部２４は、第２歪寄与情報が示すブリルアンスペクトルの周波数シフトに対応する第２シフト情報と関連付けて格納された歪情報を、第２歪情報として歪格納部２２から抽出する。
歪決定部２５は、第１及び第２歪情報に基づいて光ファイバケーブル１０の歪量を決定する。具体的には、歪決定部２５は、第１歪情報が示す歪量と第２歪情報が示す歪量との平均値を光ファイバケーブル１０の歪量とする。歪決定部２５は、決定された光ファイバケーブル１０の歪量に基づいて、被測定物５の歪量を解析する。
次に、この第２実施例に係るセンサ２の動作として、温度及び歪を測定する方法（この発明に係る外乱測定方法の第２実施例）について、図９のフローチャートを用いて説明する。なお、図９は、第２実施例に係るセンサ２を用いた温度測定方法を説明するためのフローチャートである。この第２実施例に係る外乱測定方法は、センサ２を用いて被測定物５の温度及び歪を測定する。
この第２実施例の係る外乱測定方法は、格納ステップＳＴ１１と、検出ステップＳＴ１２と、温度解析ステップＳＴ１３と、歪解析ステップＳＴ１４とを備える。格納ステップＳＴ１１では、光ファイバケーブル１０の温度情報と、第１線幅情報及び第２線幅情報とが、格納部１７により格納される。また、光ファイバケーブル１０の歪情報と、第１シフト情報及び第２シフト情報とが歪格納部２２により格納される。
格納ステップＳＴ１１に続く検出ステップＳＴ１２では、ポンプ光が複数の光ファイバ１２Ａ、１２Ｂへそれぞれ入射される。このポンプ光の入射に応じて光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれから得られるブリルアンスペクトルが、検出部１６により検出される。そして、検出されたブリルアンスペクトルそれぞれのスペクトル線幅を示す第１及び第２線幅検出結果が、検出部１６により温度解析部１４へ出力される一方、周波数シフトを示す第１及び第２シフト検出結果が検出部１６により歪解析部２１へ出力される。
続いて、温度解析ステップＳＴ１３では、検出部１６から出力された第１及び第２線幅検出結果が示す第１第２線幅情報に対してそれぞれ関連付けられた状態で格納部１７により格納された温度情報が、抽出部１８により抽出される。抽出された温度情報に基づいて、光ファイバケーブル１０の温度が決定部１９により決定される。そして、温度解析結果が歪解析部２１へ出力される。
温度解析ステップＳＴ１３に続く歪解析ステップＳＴ１４では、入力された第１及び第２シフト検出結果から温度解析結果に基づく温度寄与分がそれぞれ差し引くことにより、演算部２３が第１及び第２歪寄与情報を生成する。そして、第１及び第２歪寄与情報に対応する第１及び第２歪情報とが、歪抽出部２４により歪格納部２２から抽出される。第１及び第２歪情報とが抽出されると、第１歪情報と第２歪情報とがそれぞれ示す歪量の平均値が光ファイバケーブル１０の歪量として歪決定部２５により決定される。そして、決定部２５では、決定された歪量に基づいて被測定物５の歪みが解析される。
以上のような外乱測定が行われることにより、歪みの大きさに依存しない複数のスペクトル線幅を用いたより正確な温度解析が可能になる。また、解析された温度と、ブリルアンスペクトルの周波数シフトの温度依存性における極値温度が互いに異なる導波路（光ファイバ１２Ａ、１２Bそれぞれのコア領域）から得られたブリルアンスペクトルのピーク周波数又は周波数シフトと、に基づいて光ファイバケーブル１０の歪み測定が行われるため、より精度良く被測定物の歪み解析が可能になる。すなわち、ブリルアンスペクトルのスペクトル線幅とピーク周波数又は周波数シフトの両方を利用することにより、光ファイバケーブル１０に含まれる光ファイバ１２Ａ、１２Bそれぞれのコア領域に生じる歪みと温度とを正確に決定することができる。したがって、この第２実施例に係る外乱測定方法によれば、被測定物５の歪みと温度とをより正確に解析することができる。
この発明は、上述の第１及び第２実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、外乱検出用プローブとして適用された光ファイバケーブル１０の構成は、図１０及び１１に示されたように、種々の変形が可能である。図１０及び１１は、いずれも、この発明に係るセンサのセンサ部に適用される光ファイバケーブルの種々の構造を示す断面図である。すらわち、図１０の領域（ａ）に示された光ファイバケーブル１０Ａは、２つの光ファイバ１２Ａ、１２Ｂと、ケーブル外被３１と、２つの抗張力線（tension member）３２を備える。２つの光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれがケーブル外被３１の中央部に位置し、抗張力線３２がこれら光ファイバ１２Ａ、１２Ｂの両側に位置している。ケーブル外被３１は、２つの光ファイバ１２Ａ、１２Ｂ及び２つの抗張力線３２を覆い、シート状に形成されている。
図１０の領域（ｂ）に示された光ファイバケーブル１０Ｂには、２つの光ファイバ１２Ａ、１２Ｂの間に抗張力線３３が配置され、２つの光ファイバ１２Ａ、１２Ｂ及び抗張力線３３の間を充填して覆い、断面が円形状に形成された緩衝材３４が配置されている。緩衝材３４の周囲は、押さえ巻３５が巻かれ、該押さえ巻３５の周囲にケーブル外被３６が配置されている。
図１０の領域（ｃ）に示された光ファイバケーブル１０Ｃには、光ファイバ１２Ａの周囲に抗張力繊維３７が配置され、光ファイバ１２Ｂの周囲にも抗張力繊維３８が配置されている。そして抗張力繊維３７、３８の両方を覆うケーブル外被３９が形成されている。
図１１の領域（ａ）に示された光ファイバケーブル１０Ｄは、ルースチューブ型ケーブルであって、チューブ４１に光ファイバ１２Ａ及び光ファイバ１２Ｂが挿通されている。光ファイバ１２Ａと光ファイバ１２Ｂとの周囲をともに覆う被覆４２が断面円形に形成され、被覆４２の周囲には空気又はジェリー４３が充填されている。また、パイプ４１の内壁面とジェリー４３との間には押さえ巻４４が配置されている。このようなルースチューブ型の光ファイバケーブル１０Ｄは、歪の影響を受けにくい。また、図１１の領域（ｂ）に示された光ファイバケーブル１０Ｅのように、光ファイバケーブル１０Ｄは、被覆４２がなくてもよい。
上述の光ファイバ１２Ａ、１２Ｂは、図３の領域（ｂ）に示されたようにコア領域１２１及びクラッド領域１２２により構成されているが、紫外線硬化型樹脂又はプラスチック樹脂等の被覆で覆われたファイバ心線(coated fiber)であってもよい。また、光ファイバケーブル１０、１０Ａ〜１０Ｅに含まれる光ファイバは、３本以上であってもよい。
また、光ファイバケーブル１０は、被測定物５の形状に応じて図１２に示されたように設置されてもよい。なお、図１２は、この発明に係るセンサのセンサ部（光ファイバケーブル）の設置例を説明するための図である。図１２の領域（ａ）に示されたように、光ファイバケーブル１０は被測定物５Ａの一方向に沿って設置されてもよい。図１２の領域（ｂ）に示されたように、光ファイバケーブル１０は被測定物５Ｂの一方向に沿って二重に設置されてもよい。また、光ファイバケーブル１０は、図１２の領域（ｃ）に示されたように、被測定物５Ｃの側面に沿って螺旋状に巻かれた状態で設置されてもよい。光ファイバケーブル１０は、被測定物が中空の物体である場合に、被測定物の内側面に沿って設置されてもよい。また、光ファイバは、被測定物を構成する材料の中に埋め込まれてもよい。
上述の第１及び第２実施例では、ＢＯＴＤＲ装置１３を用いてＢＯＴＤＲ法によりブリルアンスペクトルが検出されているが、ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）装置を用いたＢＯＴＤＡ法によりブリルアンスペクトル検出が行われてもよい。また、ＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation DomainAnalysis）装置を用いたＢＯＣＤＡ法によりブリルアンスペクトル検出が行われてもよい。これらの方法を用いてブリルアンスペクトルを検出する場合、光ファイバ１２Ａ、１２Ｂの長手方向に沿った温度分布及び歪分布が測定できる。
更に、光ファイバケーブル１０に換えて、図１３に示された光ファイバケーブル５０が、外乱検出用プローブに適用されてもよい。なお、図１３は、この発明に係るセンサのセンサ部に適用される光ファイバケーブルの一構造を示す断面図である。この光ファイバケーブル５０は、コア領域５２と、該コア領域５２を取り囲むクラッド領域５１を備えた光ファイバであって、具体的には、それぞれが導波路として機能する複数のコア領域５２Ａ、５２Ｂと、これらコア領域５２Ａ、５２Bを一体的に取り囲むクラッド領域５１により構成されている。複数のコア領域５２Ａ、５２Ｂは、ブリルアンスペクトル周波数の温度依存性が互いに異なる。すなわち、複数のコア領域５２Ａ、５２Ｂは、ブリルアンスペクトルの形状の温度依存性が互いに異なる。
また、複数のコア領域５２Ａ、５２Ｂは、互いの間で光パワー結合が生じないように構成されている。例えば、光ファイバケーブル５０は、図１３に示されたように、クラッド領域５１の中央領域において２つのコア領域５２Ａ、５２Ｂが互いに非接触に配置されている。
コア領域５２Ａ、５２Ｂにそれぞれポンプ光が入射されることにより、コア領域５２Ａ、５２Ｂそれぞれからブリルアン散乱光が出力される。このブリルアン散乱光は、上述の光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれから出力されるブリルアン散乱光に相当する。したがって、上述のセンサ１、２及びこれらを用いた外乱測定方法により被測定物５の温度解析及び歪み解析が可能になる。
（センサの第３実施例）
上述のように、この発明に係るセンサは、ＢＯＴＤＲ法による外乱測定のみならず、種々の測定方法が実施可能である。以下では、この発明に係るセンサの第３実施例として、ＢＯＣＤＡ方式のセンサについて説明する。図１４は、この発明に係るセンサの第３実施例の構成を示す図である。この図１４に示された第３実施例に係るセンサ３は、光源であるＬＤ１５、光信号を等分配するカプラ６２、光の方向を一方向に通過させる一方、逆方向に通さないアイソレータ６３、光信号を増幅するアンプ６４、３つのポートを持ちそれぞれ隣り合う１つのポートにだけカップリングするサーキュレータ６５、受光素子であるＰＤ１６（検出部）、ＬＤ１５とＰＤ１６の電気信号に基づいて温度、歪等の外乱を解析する解析部６１、外乱検出用プローブとして適用された光ファイバケーブル１０（センサ部）を備える。なお、光ファイバケーブル１０は、互いに異なるブリルアン散乱特性を有する導波路として、少なくとも２本の光ファイバ１２Ａ、１２Ｂ（これら光ファイバ１２Ａ、１２Ｂのコア領域が導波路に相当している）を含む。
なお、この第３実施例に係るセンサ３のセンサ部は、２本の光ファイバ１２Ａ、１２Ｂを含む光ファイバケーブル１０を代表例として説明するが、センサ部としては、３本以上の光ファイバを含む光ファイバケーブルが適用されてもよい。また、センサ用以外の信号伝送用の光ファイバが光ファイバケーブル１０内に含まれてもよい。さらに、光ファイバケーブル１０に含まれる光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれは、シングルモード光ファイバであっても、マルチモード光ファイバであってもよい。ただし、これら光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれがマルチモード光ファイバである場合、ピーク周波数におけるゲイン（スペクトルピークの最大ゲイン）が低下する傾向があり、光ファイバ１２Ａ、１２Ｂとしてはシングルモード光ファイバの方より好ましい。また、ブリルアン散乱特性が異なるものであれば、プラスティックファイバ等の石英系ファイバ以外も使用することができる。
この第３実施例に係るセンサ３において、光ファイバケーブル１０の一方の端部は、２本の光ファイバ１２Ａ、１２Ｂの一端同士が接続されたループ構造（図１４中のＬ部）を有する。また、光ファイバケーブル１０の他方の端部において、一方の光ファイバ１２Ａの他端（ＬＤ１５側）からはプローブ光が入射され、他方の光ファイバ１２Ｂの他端（ＬＤ１５側）からはポンプ光が入射される。解析部６１では、ＬＤ１５とＰＤ１６の電気信号を演算して光ファイバケーブル１０に生じる歪みと温度を解析する。以下、説明の便宜上、光ファイバ１２Ａ、１２ＢのＬＤ１５側を始端、Ｌ部側を終端とする。
光ファイバ１２Ａ、１２Ｂの終端がループ配線されることにより、終端側が任意の場所に自由に配置可能になるため、従来の光ファイバケーブルよりも布設作業が容易になり、従来の同じ長さの光ファイバケーブルよりも広い測定範囲をカバーすることができる。また、この第３実施例に係るセンサ３は、ＢＯＣＤＡ方式が採用されるので、距離分解能に優れた歪み／温度解析が可能になる。
図１５は、第３実施例に係るセンサ３のセンサ部に適用される光ファイバケーブル１０の種々の構造を示す断面図である。特に、この図１５に示された光ファイバケーブル１０Ｆ、１０Ｇでは、ブリルアンスペクトルの周波数シフトの歪み係数／温度係数がそれぞれ異なる光ファイバが適用されている。
図１５の領域（ａ）に示された光ファイバケーブル１０Ｆは、２本の光ファイバ１２Ａ、１２Ｂと、これら光ファイバ１２Ａ、１２Ｂを挟むように配置された２本の抗張力線７２Ａ、７２Ｂと、これら光ファイバ１２Ａ、１２Ｂ及び抗張力線７２Ａ、７２Ｂ一体的に被覆するケーブル外被７１とから構成されている。この光ファイバケーブル１０Ｆは、図１０の領域（ａ）に示された光ファイバケーブル１０Ａに類似した構造を有するが、２本の光ファイバ１２Ａ、１２Ｂがより近接した状態で配置されている。
また、図１５の領域（ｂ）に示された光ファイバケーブル１０Ｇは、光ファイバ１２Ａ、該光ファイバ心１２Ａを挟むように配置された２本の抗張力線７２Ａ、これら光ファイバ１２Ａ及び抗張力線７２Ａを一体的に被覆するケーブル外被７１Ａで構成された左側光ファイバケーブルと、光ファイバ１２Ｂ、該光ファイバ１２Ｂをはさむように配置された２本の抗張力線７２Ｂ、これら光ファイバ１２Ｂ及び抗張力線７２Ｂを一体的に被覆するケーブル外被７１Ｂで構成された右側光ファイバケーブルとを備える。この光ファイバケーブル１０Ｇにおいて、右側光ファイバケーブルと左側光ファイバケーブルとは、上下の切り込み７３から左右に分離可能な状態で一体的に形成されている。
この図１５の領域（ｂ）に示された光ファイバケーブル１０Ｇでは、１つの光ファイバケーブルが２つの光ファイバケーブルに分離可能な状態で形成されているが、別々に形成された２つの光ファイバケーブルを接着剤などで接着して１つの光ファイバケーブルとしてもよい。また、別々に形成された２つの光ファイバケーブルを分離した状態で配置するようにしてもよい。このように、いずれの光ファイバケーブルの状態においても、光ファイバの終端をループ配線できればよい。
図１５中に示された領域（ａ）及び（ｂ）において、光ファイバ１２Ａ、１２Ｂは、ブリルアンスペクトルの周波数シフトの歪み係数及び温度係数の少なくとも一方が異なる異種の光ファイバである。このような異種の光ファイバ１２Ａ、１２Ｂを含む光ファイバケーブル１０Ｆ、１０Ｇは、外力を受けたとき、光ファイバ１２Ａ、１２Ｂに略同程度の歪みが生じるに設計されている。光ファイバ１２Ａ、１２Ｂは、歪みと温度いずれにも影響を受けるが、例えば、ブリルアンスペクトルの周波数シフトの温度依存性の異なる光ファイバが、１本の光ファイバケーブル内に配置されてもよい。この場合、歪み／温度の影響を切り分けることができるため、解析部６１は、それらの値を容易に決定することができる。
図１５の領域（ｂ）に示されたように、光ファイバ１２Ａ、１２Ｂそれぞれがプラスチック樹脂などのケーブル外被７１Ａ、７１Ｂで被覆された２つの光ファイバケーブルに分離できるような構造の場合、光ファイバケーブル１０Ｇの端部で光ファイバ１２Ａ、１２Ｂ同士が接続されるとき、各光ファイバ１２Ａ、１２Ｂが抗張力体７２Ａ、７２Ｂとケーブル外被７１Ａ、７１Ｂで保護されているため、細径の光ファイバを直接取り扱う作業が少なくなり、全体として作業が容易になる。すなわち、図１５の領域（ｃ）に示されたように、光ファイバケーブル１０Ｇの一方の端部において、容易にループ構造を実現することができる。また、光ファイバケーブル１０Ｇは、切り込み７３で左右に裂くことができるため、ケーブル外被を直接把持するタイプのコネクタ等を用いて容易に接続することができる。
以下、外乱検出用プローブとして適用された光ファイバケーブル（センサ部）による歪み／温度測定方法の一例について説明する。光ファイバのブリルアンスペクトルの周波数シフトνＢは光ファイバに生じする歪みεと温度Ｔの関数として以下の式（２）のように表される。
Figure 0004985405
ここで、歪み係数ι、温度係数κは光ファイバ固有の係数であって、歪み係数ιは約０．０５〜０．０６ＭＨｚ／μεの大きさ、温度係数κは約１．５〜２．２ＭＨｚ／℃の大きさを有する。
上述のように、被測定物の変形状態や要求される測定精度によって異なるが、通常、約１０００〜３０００μεのオーダーの歪みを測定することが多く、ブリルアンスペクトルの周波数シフトは歪みによって約５０〜１８０ＭＨｚ変化する。一方、温度は使用環境によって大きく異なるが、通常、約２０〜５０℃の温度範囲を測定することが多く、ブリルアンスペクトルの周波数シフトは温度によって約３０〜１１０ＭＨｚ変化する。
この第３実施例に係るセンサ３では、温度係数の異なる異種の光ファイバ１２Ａ、１２Ｂを光ファイバケーブル１０内に備え、これら光ファイバ１２Ａ、１２Ｂの端部同士を接続することにより、ある点での光ファイバ１２Ａ、１２Ｂのブリルアンスペクトルの周波数シフトνＢをそれぞれ測定する。この構成により、以下のような連立方程式（式（３）、式（４））から測定したい歪みεと温度Ｔを決定することを可能にした。
Figure 0004985405
Figure 0004985405
ここで、νＢ１、νＢ２はそれぞれ光ファイバ１２Ａ、１２Ｂで実際に測定されたブリルアンスペクトルの周波数シフトであり、歪み係数ι１、温度係数κ１、歪み係数ι２、温度係数κ２はそれぞれ光ファイバ１２Ａ、１２Ｂの固有係数である。
図１６は、この第３実施例に係るセンサ３（図１４）において、センサ部である光ファイバケーブル１０のＺｐ点に歪みが印加したときの状態を説明するための図である。この図１６の領域（ａ）に示されたように、Ｚ軸は光ファイバケーブル１０上の位置で、光ファイバケーブル１０の始端をＺｉ、終端をＺｏとして、この位置Ｚとブリルアンスペクトルの周波数シフトνＢとの関係が、図１６中の領域（ｂ）に示されている。この図１６中の領域（ｂ）に示されたように、歪みが印加されたＺｐ点において、光ファイバ１２ＡではνＢ１−νＢ１ｏ、光ファイバ１２ＢではνＢ２−νＢ２ｏだけブリルアンスペクトルの周波数シフトνＢが変化していることが分かる。上記シフト量νＢ１−νＢ１ｏ、νＢ２−νＢ２ｏは異なる値であって、上記式（３）、式（４）に当てはめることにより、歪みεと温度Ｔが算出される。
このように、第３実施例に係るセンサ３によれば、センサ部として、生じる歪みや温度の変化に応じてブリルアンスペクトルのピーク周波数又は周波数シフトの異なる少なくとも２本の光ファイバを含む光ファイバケーブル１０が適用されているので、これら光ファイバ中でのブリルアンスペクトルのピーク周波数又は周波数シフトの変化に基づいて被測定物の歪みと温度を切り分けて正確に解析することができる。実際に使用される光ファイバの例としては、図２の表中に示されたファイバＡとファイバＣの組み合わせのように、ひずみ係数ι１、ι２、温度係数κ１、κ２とが大きく異なっている方がブリルアンスペクトルの周波数シフトνＢ１−νＢ１ｏとνＢ２−νＢ２ｏとが大きく異なるため、より精度よく歪みと温度を測定することができる。
また、光ファイバケーブル１０の端部において、２本の光ファイバの端部同士がループ接続されるため、布設されるべき光ファイバケーブル全体をループさせる該光ファイバケーブルの終端をその始端と同じ場所に布設する必要がなく、光ファイバケーブル布設作業が容易となる。さらに、従来の同じ長さの光ファイバケーブルよりも布設範囲が広くなり、距離分解能の良い歪み／温度解析が可能になる。
さらに、この第３実施例におけるセンサ部は、ブリルアンスペクトルの周波数シフトの温度依存性の異なる異種の光ファイバを含む光ファイバケーブルであればよく、インドアケーブルのような汎用的で安価な光ファイバケーブルの適用も可能である。
以上、説明された光ファイバケーブルは、ブリルアンスペクトルのピーク周波数に依存する歪み係数／温度係数が異なる光ファイバが適用された構造を備える。しかしながら、センサ部に適用される光ファイバケーブルとして、被測定物からの外力に起因して光ファイバに生じる歪み及び温度変化のいずれかが光ファイバ間で異なる構造の光ファイバケーブルであっても、歪みと温度の切り分けを行うことは可能である。
図１７は、この発明に係るセンサ１〜３のいずれかのセンサ部に適用される光ファイバケーブルの種々の構造を示す断面図であって、特に、被測定物からセンサ部への外力／熱の伝わり方が異なる種々の構造を示す断面図である。
図１７の領域（ａ）に示された光ファイバケーブル１０Ｈは、一方の光ファイバ１２、該一方の光ファイバ１２を挟むように配置された２本の抗張力線８２Ａ、これら一方の光ファイバ１２及び抗張力線８２Ａを一体的に被覆するケーブル外被８１Ａで構成される左側光ファイバケーブルと、他方の光ファイバ１２（同種の光ファイバ）、該他方の光ファイバ１２を挟むように配置された２本の抗張力線８２Ｂ、これら他方の光ファイバ１２及び抗張力線８２Ｂを一体的に被覆するケーブル外被８１Ｂで構成される右側光ファイバケーブルとを備え、これら左側光ファイバケーブルと右側光ファイバケーブルとが一体的に形成されている。この２組の光ファイバケーブルは、上下の切り込み８３から左右の光ファイバケーブルに分離可能である。この光ファイバケーブル１０Ｈでは、同種の光ファイバ１２が２本用意され、片方（図中、右側）の光ファイバ１２がプラスチックチューブ等の樹脂チューブ８４内にルース状態で配置されている。
図１７の領域（ｂ）に示された光ファイバケーブル１０Ｉは、一方の光ファイバ１２、該一方の光ファイバ１２を被覆するケーブル外被８１Ａで構成される左側光ファイバケーブルと、他方の光ファイバ１２（同種の光ファイバ）、該他方の光ファイバ１２を被覆するケーブル外被８１Ｂで構成される右側光ファイバケーブルとからなる。この光ファイバケーブル１０Ｉでは、同種の光ファイバ１２が２本用意され、他方（図中、右側）の光ファイバ１２が金属チューブ８５内に配置されている。
さらに、図１７の領域（ｃ）に示された光ファイバケーブル１０Ｊは、図１７の領域（ａ）に示された光ファイバケーブル１０Ｈと同様の構成で、他方（図中、右側）の光ファイバ１２が抗張力繊維などの介在物８６で覆われている。この介在物８６には、例えばプラスチック繊維などを利用可能である。なお、左側光ファイバケーブルは、一方の光ファイバ１２、該一方の光ファイバ１２を挟むように配置された２本の抗張力線８２Ａ、これら一方の光ファイバ１２及び抗張力線８２Ａを一体的に被覆するケーブル外被８１Ａで構成される。また、右側光ファイバケーブルは、他方の光ファイバ１２、該他方の光ファイバ１２を挟むように配置された２本の抗張力線８２Ｂ、これら他方の光ファイバ１２及び抗張力線８２Ｂを一体的に被覆するケーブル外被８１Ｂで構成される。これら左側光ファイバケーブル及び右側光ファイバケーブルが、切り込み８３が設けられた状態で一体的に形成されることで光ファイバケーブル１０Ｊが得られる。
図１７中の領域（ａ）〜（ｃ）に示された光ファイバケーブル１０Ｈ〜１０Ｊにおいて、一方の光ファイバはケーブル外皮と略一体化されたタイトな状態でケーブル内に収納され（図中、左側）、他方の光ファイバはケーブルの長手方向又は径方向に対して動くことができ、かつ、余長を有した状態でケーブル内に収納されている（図中、右側）。そのため、布設された光ファイバケーブルに例えば張力が加わり歪みが生じたとすると、該光ファイバケーブルと略一体化されたタイトな状態でケーブル内に収納された光ファイバには歪み分だけブリルアンスペクトルの周波数シフトが変化するが、光ファイバケーブルに対して余長を有するもう他方の光ファイバはファイバ余長の分だけ歪みが加わらない。それゆえ、これら２本の光ファイバのブリルアンスペクトルの周波数シフトの変化量の違いから被測定物からケーブル側に加わっている張力（ケーブルに生じる歪み量）を容易に計算することができる。
なお、上述のような光ファイバケーブル１０Ｈ〜１０Ｊは、２本の光ファイバ１２周辺のケーブル構造／材質が異なるため、温度変動の激しい環境下では２本の光ファイバ１２の温度が異なるため適していない。しかしながら、略同じ温度下にある温度が緩やかに変化する環境下であれば十分に有効である。
また、これら光ファイバケーブル１０Ｈ〜１０Ｊに圧縮歪みが生じた場合にも、ケーブルと略一体化されたタイトな状態で該ケーブル内に収納された一方の光ファイバ１２には圧縮歪みが生じるが、ケーブルの長手方向又は径方向に動くことができる他方の光ファイバ１２には圧縮歪みが生じない。そのため、上述のケーブルに生じる引張歪みと同様、これら２本の光ファイバ１２のブリルアンスペクトルの周波数シフトの変化量の違いから被測定物からケーブル側に加わっている圧縮方向の力（ケーブルに生じる歪み量）を容易に計算することができる。
なお、光ファイバケーブル１０Ｈ〜１０Ｊが他方の光ファイバ１２の余長分以上に引っ張られると、予め余長を入れておいた他方の光ファイバ１２にも歪みが生じてしまう。そのため、予めルース状に収納しておく他方の光ファイバ１２の余長はできるだけ多い方が望ましい。それゆえ、他方の光ファイバ１２の余長は汎用的なルース型光ファイバケーブルの約０．２％よりも大きくすることが好ましい。このファイバ余長を確実に確保するためには、他方の光ファイバ１２を一旦金属又は樹脂でチューブ化した後にケーブル化するのが好ましい。
また、光ファイバケーブル１０Ｈ〜１０Ｊに収納される光ファイバのうちルース状に収納される光ファイバは、より外乱の影響を受けにくい構造を実現するため、ブリルアンスペクトルのピーク周波数の温度依存性が最も小さい光ファイバであるのが好ましい。図１８は、この発明に係るセンサのセンサ部（光ファイバケーブル）に適用される光ファイバの、クラッド領域に対するコア領域の比屈折率差の温度依存性を示すグラフである。この図１８において、横軸は純シリカに対するコア領域の比屈折率差を示し、縦軸はブリルアンスペクトルのピーク周波数の温度係数（ＭＨｚ／Ｋ）を示す。ブリルアンスペクトルのピーク周波数の温度係数ΔνＢ（＝Δｎ＋１／２ΔＥ−１／２Δρ）は、ヤング率Ｅ、密度ρの温度変化に依存する。なお、Δｎは１０−５程度であり、ΔＥは１０−４程度、Δρは１０−５程度である。例えば、光ファイバのコア領域におけるＧｅの添加濃度を適宜調節することで、純シリカに対するコア領域の比屈折率差Δｎの異なる光ファイバを準備することで、光ファイバケーブル全体としてブリルアンスペクトルのピーク周波数の温度依存性を得ることができる。すなわち、温度係数の最も小さな光ファイバ（純シリカに対するコア領域の比屈折率差Δｎが最も大きい光ファイバ）がルース状にケーブル内に収納されるのが好ましい。
図１９は、この発明に係るセンサのセンサ部に適用される光ファイバケーブルの一構造を示す断面図であって、センサ部である光ファイバケーブルを構成する２本の光ファイバうち１本の光ファイバが熱伝導係数の小さい断熱部材で覆われた構造を示す断面図である。具体的には、図１９に示された光ファイバケーブル１０Ｋは、一方の光ファイバ１２、該一方の光ファイバ１２を挟むように配置された２本の抗張力線９２Ａ、これら一方の光ファイバ１２及び抗張力線９２Ａを一体的に被覆するケーブル外被９１Ａで構成される左側光ファイバケーブルと、他方の光ファイバ１２、該他方の光ファイバ１２を挟むように配置された２本の抗張力線９２Ｂ、これら他方の光ファイバ１２及び抗張力線９２Ｂを一体的に被覆するケーブル外被９１Ｂで構成される右側光ファイバケーブルとを備える。これら左側光ファイバケーブルと右側光ファイバケーブルは、切り込み９３から左右に分離可能な状態で一体化されている。この光ファイバケーブル１０Ｋでは、同種の光ファイバ１２が２本具備され、他方（図中、右側）の光ファイバ１２が熱伝導係数の小さい断熱部材９４で覆われている。
このため、布設された光ファイバケーブル１０Ｋに引っ張り張力が加わったとすると、２本の光ファイバ１２には略同じ程度の歪みが生じるが、２本の光ファイバ１２のいずれか一方（図中、右側）には熱伝導係数の大きく異なる断熱部材９４による被覆が施されているため、温度変動の激しい環境下では２本の光ファイバ１２の温度は異なり、温度の分離が可能になる。断熱部材９４としては、例えば、発泡プラスチックなどが好適である。
なお、この図１９に示された光ファイバケーブル１０Ｋでは、両方の光ファイバ１２が略一体化された状態でタイトに収納されており、図１７に示された光ファイバケーブル１０Ｈ〜１０Ｊそれぞれのルース構造とは異なっている。
また、ケーブルに収納された光ファイバ間で熱伝導係数を大きく異ならせる手段としては、断熱部材９４で被覆された光ファイバ１２（図中、右側）に、例えば、アルミナやカーボンの被覆を施してもよい。このように構成された光ファイバケーブル１０Ｋは、光ファイバ１２周囲の熱伝導係数に見合った温度変動をする布設環境下において効果的である。
以上のように、この発明によれば、被測定物から光ファイバ心線へ伝わる外乱が光ファイバ間で異なるケーブル構造がセンサ部に採用されることにより、歪みと温度を切り分けて測定することができる。また、ケーブル構造を異ならせることにより、汎用的な同種の光ファイバを使用することができるとともに、汎用的なルース型光ファイバケーブルを使用することができる。
以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。
この発明に係るセンサは、光ファイバケーブルを用いた歪みセンシング技術に利用することができ、ブリルアン散乱光を利用した歪み検知システムへ適用することができる。具体的に、この発明に係るセンサは、各種建造物等の変形や環境温度の測定／検知システムへの適用が可能である。

Claims (18)

  1. 所定波長のレーザ光を出射するレーザ光源と、
    それぞれが前記レーザ光源からのレーザ光の一部を伝送する少なくとも第１及び第２導波路を含むセンサ部であって、該第１及び第２導波路において出力されたブリルアン散乱光のスペクトルが、外乱が加えられた際にそれぞれ異なる変化を示すための構造を有するセンサ部と、
    前記レーザ光の入力に応じて前記第１及び第２導波路からそれぞれ出力されるブリルアン散乱光のスペクトルを検出する検出部と、そして、
    前記検出部により検出された前記第１及び第２導波路それぞれのブリルアン散乱光のスペクトルを特徴付けるパラメータの変動に基づいて、前記センサ部における温度及び外乱を受けることにより該センサ部に生じる歪みの少なくともいずれかの測定値を決定する解析部とを備え、
    前記センサ部は、前記第１及び第２導波路として、同一外乱に対して異なる変化を示すブリルアン散乱特性を有する、少なくとも２種類の導波路を含むことを特徴とするセンサ。
  2. 前記センサ部は、前記第１導波路に相当するコア領域と、該コア領域の外周に設けられたクラッド領域とを有する第１光ファイバと、そして、前記第２導波路に相当するコア領域と、該コア領域の外周に設けられたクラッド領域とを有する第２光ファイバとを含むことを特徴とする請求項１記載のセンサ。
  3. 前記センサ部は、前記第１導波路に相当する第１コア領域と、前記第２導波路に相当する第２コア領域と、これら第１及び第２コア領域をともに覆うように設けられた共通のクラッド領域とを有する光ファイバとを含むことを特徴とする請求項１記載のセンサ。
  4. 前記センサ部における前記第１及び第２導波路は、ブリルアン散乱光のスペクトルのピーク周波数に関する温度依存性がそれぞれ異なるブリルアン散乱特性を有することを特徴とする請求項１記載のセンサ。
  5. 前記センサ部における前記第１及び第２導波路は、前記ピーク周波数に関する温度依存性を示すグラフの極値温度がそれぞれ異なるブリルアン散乱特性を有することを特徴とする請求項４記載のセンサ。
  6. 前記センサ部における前記第１及び第２導波路は、ブリルアン散乱光のスペクトルの線幅に関する温度依存性がそれぞれ異なるブリルアン散乱特性を有することを特徴とする請求項１記載のセンサ。
  7. 前記センサ部は、前記レーザ光の一部が入射される前記第１導波路の一方の端部と対向する該第１導波路の他端と、前記レーザ光の一部が入射される前記第２導波路の一方の端部と対向する該第２導波路の他端とを光学的に接続するためのループ構造を有することを特徴とする請求項２記載のセンサ。
  8. 前記センサ部は、前記第１及び第２導波路それぞれを保持するための構造であって、外力が加えられたときに前記第１及び第２導波路それぞれに実質的に等しい歪みを生じさせる保持構造を有することを特徴とする請求項１記載のセンサ。
  9. 前記センサ部の保持構造は、前記第１及び第２導波路の長手方向に沿って伸びる抗張力線と、前記第１及び第２導波路とともに前記抗張力線を一体的に被覆する外皮層を含むことを特徴とする請求項８記載のセンサ。
  10. 前記センサ部は、前記第１及び第２導波路それぞれを保持するための構造であって、該センサ部における温度及び該センサ部に生じる歪みの少なくともいずれかが前記第１及び第２導波路それぞれで異ならせる保持構造を有することを特徴とする請求項１記載のセンサ。
  11. 前記センサ部の保持構造は、前記第１及び第２導波路の一方においてルース構造を含むことを特徴とする請求項１０記載のセンサ。
  12. 前記センサ部の保持構造は、前記第１及び第２導波路の一方を収納する、チューブ及び内部に樹脂が充填されたチューブのいずれかを含むことを特徴とする請求項１１記載のセンサ。
  13. 前記センサ部の保持構造は、前記第１及び第２導波路の一方の外周を覆う断熱材料を含むことを特徴とする請求項１０記載のセンサ。
  14. 前記センサ部は、前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとを、部分的に分離することが可能な保持構造を備えたことを特徴とする請求項２記載のセンサ。
  15. 前記解析部は、前記検出部により検出された前記第１及び第２導波路それぞれのブリルアン散乱光のスペクトルに基づいて前記センサ部に加えられた外乱に起因したスペクトルのピーク周波数変化に関する周波数情報を抽出し、そして、該抽出された周波数情報に基づいて前記センサ部における温度及び該センサ部に生じる歪みの少なくともいずれかに相当する物理量を求めることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
  16. 前記解析部は、前記検出部により検出された前記第１及び第２導波路それぞれのブリルアン散乱光のスペクトルに基づいて前記センサ部に加えられた外乱に起因した前記スペクトルの線幅変化を抽出し、そして、該抽出された線幅変化に基づいて前記センサ部における温度及び該センサ部に生じる歪みの少なくともいずれかに相当する物理量を求めることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
  17. 請求項１〜１６のいずれか一項記載のセンサを用いた外乱測定方法であって、
    前記レーザ光源から出射された所定波長のレーザ光を、前記センサ部に含まれる第１及び第２導波路それぞれに導き、
    前記レーザ光の入力に応じて前記第１及び第２導波路からそれぞれ出力されるブリルアン散乱光のスペクトルを前記検出部において検出し、そして、
    前記検出部により検出された前記第１及び第２導波路それぞれのブリルアン散乱光のスペクトルを特徴付けるパラメータの変動に基づいて、前記センサ部における温度及び該センサ部に生じる歪みの少なくともいずれかの測定値を、前記解析部において決定する外乱測定方法。
  18. 前記ブリルアン散乱光のスペクトルを特徴付けるパラメータには、該スペクトルにおけるピーク周波数及び線幅の少なくともいずれかが含まれることを特徴とする請求項１７記載の測定方法。
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