JP5213125B2 - 分布型光ファイバセンサ - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバをセンサとして用い、その長尺方向について歪みおよび／または温度を高精度で測定し得る分布型光ファイバセンサに関する。

従来、歪みや温度を測定する技術として、光ファイバ中で起こるブリルアン散乱現象に基づく方法がある。この方法において光ファイバは、当該光ファイバの置かれる環境における歪みおよび／または温度を検出する媒体として利用される。

ブリルアン散乱現象とは、光が光ファイバへ入射された場合に光ファイバ中の音響フォノンを介してパワーが移動する現象であり、互いに周波数の異なる２つの光が光ファイバに入射され、これら２つの光の相互作用によって生じる誘導ブリルアン散乱現象と、光が光ファイバに入射され、この光と光ファイバ中の熱雑音によって生じている音響フォノンとの相互作用によって生じる自然ブリルアン散乱現象とがある。このブリルアン散乱現象の際に見られるブリルアン周波数シフトは、光ファイバ中の音速に比例し、そして、この音速が光ファイバの歪みおよび温度に依存する。このため、ブリルアン周波数シフトを測定することによって歪みおよび／または温度が測定される。

このブリルアン散乱現象を利用した歪みや温度の分布を計測する代表的な方式として、ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）およびＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）がある。ＢＯＴＤＡでは、誘導ブリルアン散乱現象が利用され、互いに周波数の異なる２つのレーザ光がポンプ光およびプローブ光として検出用光ファイバへ対向して入射され、検出用光ファイバにおける、ポンプ光を入射した端部から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度が時間領域で測定される。このＢＯＴＤＡでは、ポンプ光およびプローブ光の相互作用によって音響フォノンが励起されている。一方、ＢＯＴＤＲでは、１つのレーザ光がポンプ光として検出用光ファイバの一方端から入射され、前記一方端から射出される自然ブリルアン散乱現象にかかる光が光バンドパスフィルタによって検出され、この検出された自然ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度が時間領域で測定される。このＢＯＴＤＲでは、熱雑音によって生じている音響フォノンが利用されている。そして、これらＢＯＴＤＡおよびＢＯＴＤＲにおいて、このような測定がポンプ光の周波数またはＢＯＴＤＡではプローブ光の周波数を順次に変化させながら周波数ごとに行われ、検出用光ファイバの長尺方向に沿った各部分のブリルアン・ゲイン・スペクトル（またはＢＯＴＤＡではブリルアン・ロス・スペクトル）がそれぞれ求められ、この測定結果に基づいて検出用光ファイバの長尺方向に沿った歪み分布および／または温度分布が測定される。前記ポンプ光には、通常、光強度が矩形状である光パルスが用いられ、ＢＯＴＤＡにおけるプローブ光には、連続光（ＣＷ光）が用いられる。

ここで、ＢＯＴＤＡでは、プローブ光を基準として、ポンプ光の周波数をプローブ光の周波数よりも高くすることによって、ブリルアン・ゲイン・スペクトルが検出される一方、プローブ光の周波数をポンプ光の周波数よりも高くすることによって、ブリルアン・ロス・スペクトルが検出される。また、ＢＯＴＤＲでは、ブリルアン・ゲイン・スペクトルが検出される。ＢＯＴＤＡでは、これらブリルアン・ゲイン・スペクトルおよびブリルアン・ロス・スペクトルのいずれを用いても歪みおよび／または温度が求められる。本明細書では、ブリルアン・ゲイン・スペクトルとブリルアン・ロス・スペクトルとを、ＢＯＴＤＡでは、適宜、単に「ブリルアンスペクトル」と呼称することとする。

このＢＯＴＤＡおよびＢＯＴＤＲの空間分解能は、測定に用いられるポンプ光の光パルスのパルス幅で制限される。光ファイバの材質によって光ファイバ中の光の速度が若干異なるが通常使用される一般的な光ファイバでは、音響フォノンの完全な立ち上がりに約２８ｎｓが必要である。このため、ブリルアンスペクトルは、光パルスのパルス幅が約２８ｎｓ以上までは、ローレンツ曲線（Lorentzain curve）であり、それよりも光パルス幅を短くすると広帯域な曲線となって中心周波数近傍で急峻さを失ったなだらかな形状となる。このため、中心周波数を求めることが難しくなって、その空間分解能は、通常、約２〜３ｍとされている。

そこで、本願発明者は、前記光パルスを２つの成分から構成することによって、高精度（例えば２００με以下）および高空間分解能（例えば１ｍ以下）で歪みおよび／または温度の分布を測定する手法を特許文献１で提案した。本願発明者は、本方式をＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ／ＢＯＴＤＲ（Pulse Pre-Pumped BOTDA/BOTDR）と呼んでいる。なお、１００μεは、０．０１％に相当する（１００με＝０．０１％）。また、ブリルアン周波数シフトは、歪みに対して、約５００ＭＨｚ／％である。

国際公開第２００６／００１０７１号パンフレット

ところで、前記特許文献１に提案した手法では、サブ光パルスで予め音響フォノンを立ち上げているので、メイン光パルスのパルス幅を短くすることができ、これによって高空間分解能を可能にしている。しかしながら、メイン光パルスのパルス幅を短くすると、平均パワーが減少するため、検出用光ファイバによって数ｋｍ程度しか歪みや温度を検出することができなかった。また、ＢＯＴＤＲでも同様に、メイン光パルスのパルス幅を短くすると、平均パワーが減少するため、検出用光ファイバによって数ｋｍ程度しか歪みや温度を検出することができなかった。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、歪みおよび／または温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる分布型光ファイバセンサを提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明にかかる一態様では、誘導ブリルアン散乱現象を利用して歪みおよび／または温度を測定する分布型光ファイバセンサにおいて、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、連続光を生成する連続光光源と、前記メイン光パルスが前記サブ光パルスよりも時間的に先に入射されないように前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが入射され、前記連続光が入射され、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスと前記連続光との間で誘導ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、前記整合フィルタで検出された前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度を測定するブリルアン時間領域検出計とを備えることを特徴とする。そして、好ましくは、上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスは、前記検出用光ファイバの一方端から入射され、前記連続光は、前記検出用光ファイバの他方端から入射され、前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出された前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度を測定することである。また、好ましくは、上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスは、前記検出用光ファイバの一方端から入射され、前記連続光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射され、前記検出用光ファイバは、伝播する前記連続光をその他方端で反射し、前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出した前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度を測定することである。なお、Ａおよび／またはＢは、ＡおよびＢのうち少なくとも一方を意味する。

このような構成の分布型光ファイバセンサは、ＢＯＴＤＡであって、歪みおよび／または温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。

そして、本発明にかかる他の一態様では、自然散乱によるブリルアン散乱現象を利用して歪みおよび／または温度を測定する分布型光ファイバセンサにおいて、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが入射され、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが熱雑音による音波によって自然ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記自然ブリルアン散乱現象にかかる光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、前記整合フィルタで検出された前記自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度を測定するブリルアン時間領域検出計とを備えることを特徴とする。

このような構成の分布型光ファイバセンサは、ＢＯＴＤＲであって、歪みおよび／または温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。

検出用光ファイバに入射する光にスペクトル拡散方式を用いた場合におけるブリルアン周波数シフトについて以下に説明する。

スペクトル拡散方式、あるいはパルス圧縮方式は、いわゆるレーダ分野において、その計測可能距離を伸ばすために利用されている。これは、目標を探知するために空間に放射されるパルス内部で周波数変調や位相変調等を用いることによって前記パルスのスペクトルを拡散し、前記目標で反射された反射波にパルス圧縮と呼ばれる復調を施すことによって、前記目標までの距離を探知するものである。これによって前記パルスのエネルギーを大きくすることができ、計測可能距離を伸ばすことができる。スペクトル拡散は、一般に、信号を送信するために本来必要とされる帯域幅よりも意図的にその帯域幅を広くすることである。

このスペクトル拡散方式をＢＯＴＤＡやＢＯＴＤＲへ適用する場合、ブリルアン周波数シフトが非線形なプロセスを経て生じるため、光パルスのスペクトルを広げる（拡散する）と、これによって、第１に、励起される音響フォノンのスペクトルが広がるとともに、第２に、周波数ごとの反射波の時系列信号におけるスペクトルも広がるという、スペクトルに二重の広がりが生じてしまう。このため、単純に、スペクトル拡散符号をＢＯＴＤＡやＢＯＴＤＲへ適用することができない。そこで、本願発明者は、以下に解析するように、光パルスをメイン光パルスとサブ光パルスとから構成し、メイン光パルスにスペクトル拡散方式を用いることによって、スペクトル拡散方式をＢＯＴＤＡやＢＯＴＤＲへ適用することができることを見出した。

以下に、ＢＯＴＤＡの場合について説明するが、同様に、解析を行うことによってＢＯＴＤＲについても解析を行うことができる。

ＢＯＴＤＡでは、検出用光ファイバの一方端（ｚ＝０）からポンプ光が入射されるとともに、前記ポンプ光の周波数と異なる周波数のプローブ光が他方端から入射され、励起された音響フォノンの後方散乱がｚ＝０の端点で観測される。ブリルアン・ゲイン・スペクトル（ＢＧＳ）は、プローブ光のパワーの増分である。

まず、このポンプ光Ａ_ｐ（０，ｔ）は、複素包絡線が式１によって表される形状を持った光パルスとする。

ここで、Ｐ_ｐは、ポンプ光のパワーであり、ｆ（ｔ）は、時刻ｔにおけるポンプ光の振幅を表す関数であって、その絶対値の最大が１となるように規格化されている。

また、式２によって関数を定義すると、そのフーリエ変換は、式３によって表される。この場合において、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）は、２次元のコンボルーション（畳み込み、convolution）であり、式４によって表される。式４の右辺第１項が時変ローレンツスペクトルである。

ここで、上付きの＊は、複素共役であることを表し、ｉは、複素単位である（ｉ^２＝−１）。また、γは、利得係数であり、ν_Ｂ（ｚ）は、位置ｚにおけるブリルアン周波数シフトである。そして、Ｇ（ν）は、ローレンツスペクトルであり、ｖ_ｇは、ポンプ光の群速度である。演算子＊は、コンボルーションを表し、その上付き文字ｔ，νは、これらの変数に関しての２次元のコンボルーションであることを表している。なお、乗算の演算子・は、記載が省略されている。

ここで、理想的には、式４の右辺第１項の時変ローレンツスペクトル自体が観測されることであるが、実際には、点広がり関数ψ（ｔ、ν）とのコンボルーションでぼかされたブリルアン・ゲイン・スペクトルが観測される。このため、前記点広がり関数ψ（ｔ、ν）が２次元デルタ関数もしくはそれに近いことが必要となる。したがって、ψ（ｔ、ν）≒δ（ｔ）δ（ν）となることが好ましい。

ここで、ポンプ光をメイン光パルスｆ_１（ｔ）とサブ光パルスｆ_２（ｔ）とから構成する。すなわち、ポンプ光の振幅ｆ（ｔ）は、式５となる。

このサブ光パルスは、メイン光パルスのために、音響フォノンを励起するように機能するものである。サブ光パルスのパルス幅Ｄ_ｓｕｂは、少なくとも音響フォノンの寿命に較べて充分に長くする。音響フォノンの寿命は、通常、５ｎｓ程度である。

このメイン光パルスは、音響フォノンで散乱されたエネルギーをプローブ光に渡すように機能するものである。このメイン光パルスは、時間方向に所定の時間幅で複数のセルに分割され、スペクトル拡散方式が用いられて広帯域化される。広帯域とは、音響フォノンのスペクトル線幅（約３０〜４０ＭＨｚ）に較べてである。このセルの時間幅がＢＯＴＤＡの空間分解能を決め、この逆数がスペクトルの幅になる。例えば、セル幅（セル時間幅）が０．１ｎｓである場合には、空間分解能は、１ｃｍとなり、スペクトル幅は、１０ＧＨｚとなる。そして、メイン光パルスのパルス幅Ｄは、計測可能距離を伸ばすためにポンプ光に与えるエネルギー量を決める。ここで、ＢＯＴＤＡの空間分解能は、上述したように、メイン光パルスのセル幅で決まるため、メイン光パルスのパルス幅Ｄは、ＢＯＴＤＡの空間分解能とは独立に設定することができる。したがって、メイン光パルスのパルス幅Ｄは、所望の計測可能距離に応じて適宜に決定可能である。このため、計測可能距離を従来より伸ばすことが可能となる。

このようにポンプ光を２成分で構成した場合に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）は、３つの成分から構成され、式６および式７（式７−１〜式７−３）によって表される。

そして、その点広がり関数ψ（ｔ、ν）は、式８によって表され、ポンプ光がメイン光パルスとサブ光パルスとから構成されることから、この点広がり関数ψ（ｔ、ν）は、式９および式１０によって表される。

ここで、スペクトル拡散方式では、その復調に、そのスペクトル拡散方式に対応する整合フィルタ（マッチドフィルタ）が用いられ、整合フィルタのインパルス応答ｈ（ｔ）がｆ_１（Ｄ−ｔ）とされる（ｈ（ｔ）＝ｆ_１（Ｄ−ｔ））。整合フィルタは、例えば、スペクトル拡散に用いた信号（スペクトル拡散に符号系列を用いる場合ではその符号）を時間的に反転して、整合フィルタの入力とのコンボルーションを取るものである。

メイン光パルスは、スペクトル拡散方式を用い、サブ光パルスは、無変調で、そのパルス幅が充分に長いとすることから、点広がり関数ψ（ｔ、ν）の成分ψ_１，２（ｔ、ν）は、式１１のように近似可能であり、前記好ましい型になる。

ここで、Ｃ_ｐは、メイン光パルスとサブ光パルスとの振幅比である。

したがって、これに対応するブリルアン・ゲイン・スペクトルは、式１２によって表される。

なお、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における他の成分Ｖ_１，１（ｔ、ν）およびＶ_２，１（ｔ、ν）は、メイン光パルスが疑似乱数によってスペクトル拡散されている場合には、フラットなスペクトルとなる。また、他の成分Ｖ_２，２（ｔ、ν）は、復調の際における整合フィルタによって抑圧される。

また、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_１，１（ｔ、ν）およびＶ_２，２（ｔ、ν）は、ポンプ光をメイン光パルスのみで構成、あるいはサブ光パルスのみで構成し、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを計測することによって抽出可能である。

以上の解析から、前記構成の分布型光ファイバセンサでは、検出用光ファイバに入射する光パルスを、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと無変調のサブ光パルスとの２成分で構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することかができるから、歪みおよび／または温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。

また、上述のＢＯＴＤＡの分布型光ファイバセンサにおいて、好ましくは、前記ブリルアン時間領域検出計は、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスと前記連続光とが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第１誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたは第１ブリルアン・ロス・スペクトルと、前記メイン光パルスと前記連続光とが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第２誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第２ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたは第２ブリルアン・ロス・スペクトル、および／または、前記サブ光パルスと前記連続光とが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第３誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたは第２ブリルアン・ロス・スペクトルと、の差を求め、この求めた差に基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度を測定することである。

この構成によれば、ブリルアン周波数シフトを求める際に、ブリルアンスペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフトをより簡単により高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度をより簡単により高精度に求めることが可能となる。

また、これら上述のＢＯＴＤＡの分布型光ファイバセンサにおいて、好ましくは、前記サブ光パルスは、前記メイン光パルスに対して時間的に先行して前記検出用光ファイバに入射されることである。

この構成によれば、サブ光パルスがメイン光パルスに対して時間的に先行して検出用光ファイバに入射される分布型光ファイバセンサが提供される。サブ光パルスは、メイン光パルスと時間的に分離されていてもよく、また、メイン光パルスと時間的に連続していてもよく、さらにその一部がメイン光パルスと時間的に重なって（オーバラップして）いてもよい。サブ光パルスをメイン光パルスから時間的に分離する場合には、サブ光パルスのパルス幅は、音響フォノンが充分に励起されるように約３０ｎｓ以上であることが好ましく、サブ光パルスとメイン光パルスとの時間的な間隔は、音響フォノンの寿命以下であることが好ましい。サブ光パルスをメイン光パルスにオーバラップさせる場合には、サブ光パルスのパルス幅もメイン光パルスのパルス幅も任意の長さとすることが可能である。したがって、ポンプ光のエネルギーを所望の値に設定することが可能となり、計測可能距離を適宜に設定することが可能となる。なお、この場合において、音響フォノンを充分に励起すべく、サブ光パルスは、メイン光パルスに対し３０ｎｓ程度だけ先行させることが好ましい。

また、これら上述のＢＯＴＤＡの分布型光ファイバセンサにおいて、好ましくは、前記メイン光パルスと前記サブ光パルスとは、時間的に重なった部分が存在することである。

この構成によれば、メイン光パルスとサブ光パルスとに時間的に重なった部分（オーバラップした部分）を持つ分布型光ファイバセンサが提供される。サブ光パルスがメイン光パルスと重ねることによって、上述したように、サブ光パルスのパルス幅を任意の長さとすることが可能となり、計測可能距離をより伸ばすことができる。時間的に重なった部分は、両者がその一部分で時間的に重なっていてもよく、また、両者が時間的に完全に一致するように重なっていてもよい。

また、上述のＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサにおいて、好ましくは、前記ブリルアン時間領域検出計は、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第１自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルと、前記メイン光パルスが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第２自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第２ブリルアン・ゲイン・スペクトル、および／または、前記サブ光パルスが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第３自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルと、の差を求め、この求めた差に基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度を測定することである。

この構成によれば、ブリルアン周波数シフトを求める際に、ブリルアンスペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフトをより簡単により高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度をより簡単により高精度に求めることが可能となる。

本発明にかかる分布型光ファイバセンサでは、歪みおよび／または温度が高空間分解能で、そして、より遠くまで測定可能となる。

実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。 図１に示す分布型光ファイバセンサを第１態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。 図１に示す分布型光ファイバセンサを第２態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。 光パルス生成部の構成およびその動作を説明するための図である。 ポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）の構成および整合フィルタを説明するための図である。 図１に示す分布型光ファイバセンサをＢＯＴＤＲに構成した場合における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。 狭線幅光バンドパスフィルタを説明するための図である。 全体から構成要素を減算することによってブリルアン周波数シフトを求める方法を説明するための図ある。 図５（Ａ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。 ポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）の他の構成を説明するための図である。 図１０（Ｂ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。 ポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）のさらに他の構成および整合フィルタを説明するための図である。 図１２（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するための、光パルス生成部の構成およびその動作を説明するための図である。 点広がり関数の一計算結果を示す図である。 ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２、１（ｔ、ν）を取り除いてブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）を求めるための信号処理部の構成を示すブロック図である。 メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合であって比較的短い区間幅に歪みを与えている場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。 メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合であって比較的長い区間幅に歪みを与えている場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

図１は、実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す分布型光ファイバセンサを第１態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。図３は、図１に示す分布型光ファイバセンサを第２態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。

本発明にかかる実施形態の図１に示す分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ１）は、ＢＯＴＤＡであって、後述するように光スイッチ２５を切り換えることによって第１態様（両端測定）として動作し、大略、図２に示すように、光パルス光源ＬＳ_ｐによって生成されたサブ光パルスおよびメイン光パルス光をポンプ光として、歪みおよび／または温度を検出するための検出用光ファイバＯＦ（１５）の一方端から入射するとともに、連続光光源ＬＳ_ＣＷによって生成された連続光をプローブ光としてこの検出用光ファイバＯＦ（１５）の他方端から入射して、ブリルアン時間領域検出計ＢＤ（１４）によって検出用光ファイバＯＦ（１５）で生じた誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を受光し、ブリルアン時間領域検出計ＢＤ（１４）によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析（Ｂ^Ｇain−ＯＴＤＡ）またはブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析（Ｂ^Ｌoss−ＯＴＤＡ）を行うことにより、ブリルアン周波数シフトに基づいて歪みおよび／または温度の分布を検出するものである。光パルス光源ＬＳ_ｐでは、レーザ光源ＬＤから射出されたレーザ光が光信号生成器ＯＳＧにおいて疑似乱数発生器ＲＧからの疑似乱数で位相変調されることによって、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスが生成される。疑似乱数発生器ＲＧで生成した疑似乱数は、復調のために、ブリルアン時間領域検出計ＢＤ（１４）へ通知される。そして、ブリルアン時間領域検出計ＢＤ（１４）では、検出用光ファイバＯＦ（１５）から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光が、疑似乱数発生器ＲＧからの疑似乱数に応じた整合フィルタＭＦでフィルタリングされ、信号処理部ＳＰでＢＯＴＤＡの信号処理が施されることによって、ブリルアン周波数シフトに基づいた歪みおよび／または温度の分布が検出される。なお、以下、ブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析またはブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析は、ブリルアンスペクトラム時間領域分析と適宜略記される。このブリルアンスペクトラム時間領域分析では、誘導ブリルアン散乱現象にかかる光は、ブリルアン増幅または減衰を受けた光である。

そして、この図１に示す分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ２）は、ＢＯＴＤＡであって、後述するように光スイッチ２５を切り換えることによって第２態様（片端測定）として動作し、大略、図３に示すように、光パルス光源ＬＳ_ｐによって生成されたサブ光パルスおよびメイン光パルス光をポンプ光として、そして、連続光光源ＬＳ_ＣＷによって生成された連続光をプローブ光として、検出用光ファイバＯＦ（１５）の一方端から入射して、ブリルアン時間領域検出計ＢＤ（１４）によって検出用光ファイバＯＦ（１５）で生じた誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を受光し、ブリルアン時間領域検出計ＢＤ（１４）によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析（Ｂ^Ｇain−ＯＴＤＡ）またはブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析（Ｂ^Ｌoss−ＯＴＤＡ）を行うことにより、ブリルアン周波数シフトに基づいて歪みおよび／または温度の分布を検出するものである。メイン光パルスには、スペクトル拡散方式が用いられる。

このような分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ１、Ｓ２）は、より具体的には、図１に示すように、第１光源１と、光カプラ２、５、８、２１、２３と、光パルス生成部３と、光スイッチ４、２２と、光強度・偏光調整部６と、光サーキュレータ７、１２と、光コネクタ９、２６、２７、２８と、第１自動温度制御部（以下、「第１ＡＴＣ」と略記する。）１０と、第１自動周波数制御部（以下、「第１ＡＦＣ」と略記する。）１１と、制御処理部１３と、ブリルアン時間領域検出計１４と、検出用光ファイバ１５と、温度検出部１６と、基準用光ファイバ１７と、第２自動温度制御部（以下、「第２ＡＴＣ」と略記する。）１８と、第２自動周波数制御部（以下、「第２ＡＦＣ」と略記する。）１９と、第２光源２０と、光強度調整部２４と、１×２光スイッチ２５とを備えて構成される。

第１および第２光源１、２０は、それぞれ、第１および第２ＡＴＣ１０、１８によって予め設定される所定温度で略一定に保持されると共に第１および第２ＡＦＣ１１、１９によって予め設定される所定周波数で略一定に保持されることにより、所定周波数の連続光を生成し射出する光源装置である。第１光源１の出力端子（射出端子）は、光カプラ２の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。第２光源２０の出力端子（射出端子）は、光カプラ２１の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。

このような第１および第２光源１、２０は、それぞれ、例えば、発光素子と、発光素子の近傍に配置されこの発光素子の温度を検出する例えばサーミスタ等の温度検出素子と、発光素子の後方から射出されるバック光を受光して２つに分岐する例えばハーフミラー等の光カプラと、光カプラで分岐された一方の光を、周期的フィルタであるファブリペローエタロンフィルタ（Fabry-perotetalon Filter）を介して受光する第１受光素子と、光カプラで分岐した他方の光を受光する第２受光素子と、温度調整素子と、これら発光素子、温度検出素子、光カプラ、第１および第２受光素子、ファブリペローエタロンフィルタおよび温度調整素子が配設される基板とを備えて構成される。

発光素子は、線幅の狭い所定周波数の光を発光すると共に素子温度や駆動電流を変更することによって発振波長（発振周波数）を変えることができる素子であり、例えば、多量子井戸構造ＤＦＢレーザや可変波長分布ブラッグ反射型レーザ等の波長可変半導体レーザ（周波数可変半導体レーザ）である。第１および第２光源１、２０における各温度検出素子は、検出した各検出温度を第１および第２ＡＴＣ１０、１８へそれぞれ出力する。第１および第２光源１、２０における第１および第２受光素子は、例えばホトダイオード等の光電変換素子を備え、各受光光強度に応じた各受光出力を第１および第２ＡＦＣ１１、１９へそれぞれ出力する。温度調整素子は、発熱および吸熱を行うことにより基板の温度を調整する部品であり、例えば、ペルチェ素子やゼーベック素子等の熱電変換素子を備えて構成される。

第１および第２ＡＴＣ１０、１８は、それぞれ、制御処理部１３の制御に従って、第１および第２光源１、２０における各温度検出素子の各検出温度に基づいて各温度調整素子を制御することによって、各基板の温度を所定温度に自動的に略一定に保持する回路である。これによって第１および第２光源１、２０における各発光素子の温度が所定温度に自動的に略一定に保持される。このため、発光素子が発光する光の周波数が温度依存性を有する場合に、その温度依存性が抑制される。

第１および第２ＡＦＣ１１、１９は、それぞれ、制御処理部１３の制御に従って、第１および第２光源１、２０における第１および第２受光素子の各受光出力に基づいて各発光素子を制御することによって、各発光素子が発光する光の周波数を所定周波数に自動的に略一定に保持する回路である。

これら第１および第２光源１、２０における光カプラ、ファブリペローエタロンフィルタ、第１および第２受光素子と第１および第２ＡＦＣ１１、１９とは、第１および第２光源１、２０における発光素子が発光する光の波長（周波数）を略固定する所謂波長ロッカーをそれぞれ構成している。

光カプラ２、５、２１、２３は、１個の入力端子から入射された入射光を２つの光に分配して２個の出力端子へそれぞれ射出する光部品である。光カプラ８は、２個の入力端子のうちの一方の入力端子から入射された入射光を１個の出力端子から射出すると共に他方の入力端子から入射された入射光を前記出力端子から射出する光部品である。光カプラ２、５、２１、２３、８は、例えば、ハーフミラー等の微少光学素子形光分岐結合器や溶融ファイバの光ファイバ形光分岐結合器や光導波路形光分岐結合器等を利用することができる。

光カプラ２の一方の出力端子は、光パルス生成部３の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光サーキュレータ１２の第１端子に光学的に接続される。光カプラ５の一方の出力端子は、光強度・偏光調整部６の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、ブリルアン時間領域検出計１４の第２入力端子に光学的に接続される。光カプラ２１の一方の出力端子は、光スイッチ２２の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光コネクタ２８を介して基準用光ファイバ１７の他方端に光学的に接続される。光カプラ２３の一方の出力端子は、光強度調整部２４の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、ブリルアン時間領域検出計１４の第４入力端子に光学的に接続される。光カプラ８の一方の入力端子は、光サーキュレータ７の第２端子に光学的に接続され、他方の入力端子は、１×２光スイッチ２５の他方の出力端子に光学的に接続され、出力端子は、光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端に光学的に接続される。

光パルス生成部３は、第１光源１が射出した連続光が入射され、この連続光から、ポンプ光として、メイン光パルスとサブ光パルスとを生成する装置である。メイン光パルスは、スペクトル拡散方式が用いられた光パルスである。スペクトル拡散方式としては、例えば、周波数を変化させる周波数チャープ方式や、位相を変調する位相変調方式や、これら周波数チャープ方式と位相変調方式とを組み合わせたハイブリッド方式等を挙げることができる。周波数チャープ方式としては、例えば、周波数を単調に、例えば直線的に変化させる方式等が挙げられる。そして、位相変調方式としては、例えば、ＰＮ系列を用いて位相を変調する方式等が挙げられる。ＰＮ系列は、疑似乱数（pseudo-random number）系列であり、ＰＮ系列としては、例えば、Ｍ系列（maximal-length sequences）やＧｏｌｄ系列等が挙げられる。Ｍ系列は、複数段のシフトレジスタとその複数段の各段における各状態の論理結合をシフトレジスタへフィードバックする論理回路とを備えて構成される回路によって生成することが可能である。また、Ｇｏｌｄ系列は、ｎ次の原始多項式Ｆ１（ｘ）およびＦ２（ｘ）で発生されたＭ系列の０を−１に、１を＋１に対応させた系列をそれぞれＭｉ、Ｍｊとすると、両者の積Ｍｉ・Ｍｊによって生成することが可能である。また、位相変調方式の疑似乱数系列としてＧｏｌａｙ符号系列を用いることもできる。このＧｏｌａｙ符号系列は、自己相関関数のサイドローブが厳密に０になるという優れた特性を有している。サブ光パルスは、変調されていない無変調の光パルスであり、その最大光強度がメイン光パルスの光強度以下であるとともにパルス幅が音響フォノンの寿命よりも充分に長い。そして、光パルス生成部３は、制御処理部１３の制御に従って、本実施形態のブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）では、メイン光パルスがサブ光パルスよりも時間的に先に検出用光ファイバ１５に入射されないように、サブ光パルスおよびメイン光パルスを生成する。このような光パルス生成部３によって生成されるポンプ光としてのサブ光パルスおよびメイン光パルスについては、後述でさらに詳述する。

光スイッチ４、２２は、制御処理部１３の制御に従って、入力端子と出力端子との間で光をオンオフする光部品である。オンでは、光が透過され、オフでは、光が遮断される。光スイッチ４、２２は、本実施形態では、例えばＭＺ光変調器や半導体電界吸収型光変調器等の、入射光の光強度を変調する光強度変調器が用いられる。光スイッチ４、２２には、制御処理部１３によって制御され、この光強度変調器を駆動するドライバ回路が含まれる。このドライバ回路は、例えば、光強度変調器を通常状態においてオフするための直流電圧信号を生成する直流電源と、通常オフされている光強度変調器をオンするための電圧パルスを生成するパルス発生器と、この電圧パルスの生成タイミングを制御するタイミング発生器とを備えて構成される。光スイッチ４の出力端子は、光カプラ５の入力端子に光学的に接続される。光スイッチ２２の出力端子は、光カプラ２３の入力端子に光学的に接続される。

光強度・偏光調整部６は、制御処理部１３によって制御され、入射光の光強度を調整すると共に入射光の偏光面をランダムに変更して射出する部品である。光強度・偏光調整部６の出力端子は、光サーキュレータ７の第１端子に光学的に接続される。光強度・偏光調整部６は、例えば、入射光の光強度を減衰して射出するとともにその減衰量を変更することができる光可変減衰器と、入射光の偏光面をランダムに変えて射出することができる偏光制御器とを備えて構成される。

光サーキュレータ７、１２は、第１乃至第３の３端子の光サーキュレータであり、入射光と射出光とがその端子番号に循環関係を有する非可逆性の光部品である。すなわち、第１端子に入射した光は、第２端子から射出されると共に第３端子からは射出されず、第２端子に入射した光は、第３端子から射出されると共に第１端子からは射出されず、第３端子に入射した光は、第１端子から射出されると共に第２端子からは射出されない。光サーキュレータ７の第１端子は、光強度・偏光調整部６の出力端子に光学的に接続され、第２端子は、上述したように、光カプラ８の一方の入力端子に光学的に接続され、第３端子は、ブリルアン時間領域検出計１４の第３入力端子に光学的に接続される。光サーキュレータ１２の第１端子は、上述したように、光カプラ２の他方の出力端子に光学的に接続され、第２端子は、光コネクタ２７を介して基準用光ファイバ１７の一方端に光学的に接続され、第３端子は、ブリルアン時間領域検出計１４の第１入力端子に光学的に接続される。

光コネクタ９、２６、２７、２８は、光ファイバ同士や光部品と光ファイバとを光学的に接続する光部品である。

光強度調整部２４は、制御処理部１３によって制御され、入射光の光強度を調整して射出する部品である。光強度調整部２４の出力端子は、光スイッチ２５の入力端子に光学的に接続される。光強度調整部２４は、例えば、入射光の光強度を減衰して射出する光可変減衰器と、入力端子から出力端子へ一方向のみ光を透過する光アイソレータとを備えて構成される。光強度調整部２４に入射した入射光は、光可変減衰器で光強度が所定光強度に調整されて光アイソレータを介して射出される。この光アイソレータは、分布型光ファイバセンサＳ内における各光部品の接続部等で生じる反射光の伝播やサブ光パルスおよびメイン光パルスの第２光源２０への伝播を防止する役割を果たす。

１×２光スイッチ２５は、光路を切り換えることによって、入力端子から入射された光を２個の出力端子のうちの何れか一方から射出する１入力２出力の光スイッチであり、例えば、機械式光スイッチや光導波路スイッチ等が利用される。１×２光スイッチ２５の一方の出力端子は、上述したように、光カプラ８の他方の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端に光学的に接続される。手動または制御処理部１３の制御に従って、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第１態様で動作させる場合には、入力端子から入射された光が光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射されるように１×２光スイッチ２５が切り換えられ、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第２態様で動作させる場合には、入力端子から入射された光が光カプラ８および光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射されるように１×２光スイッチ２５が切り換えられる。

検出用光ファイバ１５は、歪みおよび／または温度を検出するセンサ用の光ファイバであり、サブ光パルスおよびメイン光パルスと連続光とが入射され、ＢＯＴＤＡでは、誘導ブリルアン散乱現象の作用を受けた光が射出される。ここで、配管、橋、トンネル、ダム、建物等の構造物や地盤等の計測対象物に生じた歪みおよび／または温度を測定する場合には、検出用光ファイバ１５が接着剤や固定部材等によって計測対象物に固定される。

基準用光ファイバ１７は、第１および第２光源１、２０がそれぞれ射出する各光の周波数を調整するために使用される光ファイバであって、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１および第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度との関係が予め既知の光ファイバである。

温度検出部１６は、基準用光ファイバ１７の温度を検出する回路であり、検出温度を制御処理部１３へ出力する。

ブリルアン時間領域検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ１、Ｓ２）の各部を制御する。ブリルアン時間領域検出計１４は、光コネクタ２７および光サーキュレータ１２を介して第１入力端子に入射された、基準用光ファイバ１７から射出した誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度を求め、この求めた光強度を制御処理部１３へ出力する。ブリルアン時間領域検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサＳの各部を制御し、所定のサンプリング間隔で受光した誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を検出することによって検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分のブリルアンスペクトルをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のブリルアンスペクトルに基づいて各領域部分のブリルアン周波数シフトをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のブリルアン周波数シフトに基づいて検出用光ファイバ１５の歪み分布および／または温度分布を検出する。第１、第２および第４入力端子から入射された各入射光は、それぞれ、光電変換を行う受光素子によって受光光量に応じた電気信号に変換され、アナログ／ディジタル変換器によってこの電気信号がディジタルの電気信号に変換され、ブリルアンスペクトルを求めるために用いられる。そして、第３入力端子から入射された入射光は、誘導ブリルアン散乱現象にかかる光として、受光素子で電気信号に変換されることによって直接検波され、整合フィルタによってフィルタリングされ、アナログ／ディジタル変換器によってディジタルの電気信号に変換され、ブリルアンスペクトルを求めるために用いられる。また、必要に応じて、ディジタル変換される前に増幅回路によって電気信号が増幅される。ブリルアン時間領域検出計１４は、光スイッチ、スペクトルアナライザおよびコンピュータ等を備えて構成される。

制御処理部１３は、ブリルアン時間領域検出計１４と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の歪みおよび／または温度の分布を高空間分解能でかつより遠距離まで測定するように、第１および第２光源１、２０、第１および第２ＡＴＣ１０、１８、第１および第２ＡＦＣ１１、１９、光パルス生成部３、光スイッチ４、２２、光強度・偏光調整部６および光強度調整部２４を制御する電子回路である。制御処理部１３は、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ、および、検出用光ファイバ１５の歪みおよび／または温度の分布を高空間分解能で測定するために必要な各データを記憶するメモリ等を備えて構成される。そして、制御処理部１３は、基準用光ファイバ１７における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１および第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度との関係が予め記憶される記憶部と、ブリルアン時間領域検出計１４が求めた誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度と基準用光ファイバ１７における既知の前記関係とに基づいて第１および第２光源１、２０における第１および第２発光素子が発光する各光の周波数差が予め設定される所定周波数差となるように、第１ＡＦＣ１１および／または第２ＡＦＣ１９を制御する周波数設定部とを機能的に備えている。

なお、これら第１および第２光源１、２０、第１および第２ＡＴＣ１０、１８、第１および第２ＡＦＣ１１、１９、光強度・偏光調整部６、光強度調整部２４および光強度変調器は、前記特許文献１を参考にすることができる。

次に、実施形態にかかる分布型光ファイバセンサＳの動作について説明する。

まず、測定開始に当たって、第１および第２光源１、２０から射出される各連続光の各周波数が基準用光ファイバ１７を用いてそれぞれ調整（キャリブレーション）される。

より具体的には、制御処理部１３は、第１ＡＴＣ１０および第１ＡＦＣ１１ならびに第２ＡＴＣ１８および第２ＡＦＣ１９をそれぞれ制御することによって第１および第２光源１、２０を各所定周波数で各連続光をそれぞれ発光させ、これら各連続光を基準用光ファイバ１７に互いに対向するように入射させる。これら第１光源１からの連続光および第２光源２０からの連続光は、基準用光ファイバ１７で誘導ブリルアン散乱現象を起こし、この誘導ブリルアン散乱現象にかかる光は、基準用光ファイバ１７から光サーキュレータ１２を介してブリルアン時間領域検出計１４に入射される。ブリルアン時間領域検出計１４は、この誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を受光し、この受光した誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度を検出し、この検出した光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３には、基準用光ファイバ１７における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１および第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度との関係がその記憶部に予め記憶されており、制御処理部１３は、この通知を受けると、その周波数設定部によって、第１および第２光源１、２０における第１および第２発光素子が発光する各光の設定すべき所定周波数差ｆａに対応する基準光強度Ｐａを前記関係から求め、ブリルアン時間領域検出計１４が検出した測定光強度Ｐｄがこの基準光強度Ｐａと一致するように、第１ＡＦＣ１１および第２ＡＦＣ１９を制御する。これによって第１および第２光源１、２０における第１および第２発光素子が発光する各光の周波数差は、設定すべき所定周波数差ｆａに調整される。なお、本実施形態では、光強度Ｐｄは、受光素子で光電変換された電圧値で与えられ、基準光強度Ｐａは、この基準光強度Ｐａに対応する電圧値となる。

ここで、基準用光ファイバ１７における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１および第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度との前記関係は、一般に、温度依存性を有している。本実施形態では、前記調整の際に、制御処理部１３は、温度検出部１６によって基準用光ファイバ１７の温度を検出し、この検出温度に応じて基準用光ファイバ１７における前記関係を補正している。このため、より高精度に前記調整を実行することが可能となる。

このように動作することによって第１および第２光源１、２０から射出される各連続光の各周波数が調整される。このような調整は、測定精度をより向上させる観点から、ブリルアンスペクトルを得る際に、掃引のために周波数が変更されるごとに実行されても良いし、あるいは、測定時間を短縮させる観点から、歪みおよび／または温度を測定ごとに、または、所定期間の経過ごとに、さらにまたは、分布型光ファイバセンサＳの起動の際に、実行されても良い。

次に、歪みおよび／または温度の測定動作について説明する。

まず、制御処理部１３は、第１ＡＴＣ１０および第１ＡＦＣ１１ならびに第２ＡＴＣ１８および第２ＡＦＣ１９を制御することによって、第１および第２光源１、２０に各所定周波数で各連続光をそれぞれ発光させる。第１光源１から射出された連続光は、光カプラ２を介して光パルス生成部３に入射され、第２光源２０から射出された連続光は、光カプラ２１を介して光スイッチ２２に入射される。

次に、制御処理部１３は、光パルス生成部３を制御することによって、所定のポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）を生成させる。より具体的には、制御処理部１３は、例えば、次のように光パルス生成部３を動作させることによって、ポンプ光を生成している。

図４は、光パルス生成部の構成およびその動作を説明するための図である。図５は、ポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）の構成および整合フィルタを説明するための図であり、図５（Ａ）は、ポンプ光の構成を示し、図５（Ｂ）は、整合フィルタを示す図である。

光パルス生成部３は、例えば、図４に示すように、入射光の光強度を変調するＬＮ強度変調器１０１と、このＬＮ強度変調器１０１を駆動するための第１駆動回路を構成する直流電源１０２、乗算器１０３およびタイミングパルス発生器１０４と、入射光の位相を変調するＬＮ位相変調器１１１と、このＬＮ位相変調器１１１を駆動するための第２駆動回路を構成する直流電源１１２、乗算器１１３および疑似乱数発生器１１４と、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１２１と、入射光の光強度を変調するＬＮ強度変調器１３１と、このＬＮ強度変調器１３１を駆動するための第３駆動回路を構成する直流電源１３２、乗算器１３３およびタイミングパルス発生器１３４とを備えて構成される。

ＬＮ位相変調器１１１は、例えば電気光学効果を有するニオブ酸リチウムの基板に、光導波路と信号電極と接地電極とが形成されることで構成され、両電極間に所定の信号を印加することによって生じる電気光学効果による屈折率変化に伴う位相変化をそのまま用いることで、入射光の位相を変調する装置である。ＬＮ強度変調器１０１、１３１は、例えば、マッハツェンダ干渉計を構成して電気光学効果による屈折率変化に伴うこの位相変化を強度変化に変えることで、入射光の光強度を変調する装置である。なお、ＬＮ強度変調器１０１、１３１およびＬＮ位相変調器１１１には、ニオブ酸リチウムの基板に代え、例えば、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム・タンタル酸リチウム固有体等の他の電気光学効果を有する基板が用いられてもよい。

第１駆動回路において、直流電源１０２は、強度変調すべく、ＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、タイミングパルス発生器１０４は、ＬＮ強度変調器１０１を動作させるべく、動作タイミングパルスを生成するパルス生成回路であり、そして、乗算器１０３は、直流電源１０２から入力される直流電圧とタイミングパルス生成器１０４から入力される動作タイミングパルスとを乗算し、動作タイミングパルスに応じた直流電圧をＬＮ強度変調器１０１へ出力する回路である。

また、第２駆動回路において、直流電源１１２は、位相変調すべく、ＬＮ位相変調器１１１の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、疑似乱数発生器１１４は、入射光をスペクトル拡散方式で変調するようにＬＮ位相変調器１１１を動作させるべく、動作タイミングで疑似乱数を生成する疑似乱数生成回路であり、乗算器１１３は、直流電源１１２から入力される直流電圧と疑似乱数発生器１１４から入力される疑似乱数とを乗算し、疑似乱数に応じた直流電圧をＬＮ強度変調器１０１へ出力する回路である。

ＥＤＦＡ１２１は、エルビウムを添加した光ファイバを備えて構成され、入射光を増幅して射出する光部品である。ＥＤＦＡ１２１は、検出用光ファイバ１５における歪みおよび／または温度の検出に適した光強度にすべく、入射光を予め設定された所定の増幅率で増幅する。これによって第１光源１から検出用光ファイバ１５まで伝播する間において、損失（ロス）が発生する場合に、この損失も補償され、所定の計測範囲の測定が可能となる。

そして、第３駆動回路において、直流電源１３２は、オン／オフ制御するようにＬＮ強度変調器１３１を強度変調すべく、ＬＮ強度変調器１３１の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、タイミングパルス発生器１３４は、ＬＮ強度変調器１３１を動作させるべく、動作タイミングパルスを生成するパルス生成回路であり、乗算器１３３は、直流電源１３２から入力される直流電圧とタイミングパルス生成器１３４から入力される動作タイミングパルスとを乗算し、動作タイミングパルスに応じた直流電圧をＬＮ強度変調器１３１へ出力する回路である。

このような光パルス生成部３を動作させることによって、例えば、図５（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成することができる。

図５（Ａ）に示すポンプ光は、スペクトル拡散方式で符号化されたメイン光パルスと、無変調であって、このメイン光パルスと重なることなく（オーバラップすることなく）時間的に先行するサブ光パルスとから構成されている。メイン光パルスは、所定の時間幅（セル幅）で複数のセルに分割され、本実施形態では、それら各セルがＭ系列バイナリ符号によって変調（符号化）されている。セル幅は、所望の空間分解能に応じて設定され、メイン光パルスのパルス幅は、所望の計測距離に応じて設定される。また、サブ光パルスは、音響フォノンを完全に立ち上げることができるパルス幅とされ、図５（Ａ）に示す例では、メイン光パルスの光強度と同レベルの光強度とされている。サブ光パルスとメイン光パルスとは、図５（Ａ）に示す例では、時間的に連続しているが、時間的に分離していてもよい。時間的に分離している場合には、サブ光パルスによって立ち上げられた音響フォノンが消失しないうちに、メイン光パルスが前記音響フォノンに作用する時間間隔に設定されることが好ましい。通常、音響フォノンの寿命は、約５ｎｓであるので、サブ光パルスとメイン光パルスとの時間間隔は、約５ｎｓ以内であることが好ましい。

この図５（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するために、図４において、まず、第１光源１から射出された連続光Ｌ１は、光カプラ２を介して光パルス生成部３のＬＮ強度変調器１０１に入射される。

光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングで、サブ光パルスのパルス幅Ｄ_ｓｕｂとメイン光パルスのパルス幅Ｄとに相当するパルス幅（Ｄ_ｓｕｂ＋Ｄ）の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１０４から乗算器１０３へ出力され、直流電源１０２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅（Ｄ_ｓｕｂ＋Ｄ）の直流電圧がＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加される。これによってＬＮ強度変調器１０１は、動作タイミングパルスに応じてそのパルス幅（Ｄ_ｓｕｂ＋Ｄ）に相当する時間幅（Ｄ_ｓｕｂ＋Ｄ）の間、オンされ、前記連続光Ｌ１は、ＬＮ強度変調器１０１で、パルス幅（Ｄ_ｓｕｂ＋Ｄ）の光パルスＬ２となって射出される。

そして、光パルス生成部３では、メイン光パルスの生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Ｄに相当する時間幅Ｄの間、疑似乱数がセル幅の時間タイミングで疑似乱数発生器１１４から乗算器１１３へ順次に出力され、直流電源１１２から入力された直流電圧と乗算され、メイン光パルスの生成タイミングから時間幅Ｄで、Ｍ系列バイナリ符号で変調された直流電圧がセル幅の時間タイミングでＬＮ位相変調器１１１の信号電極に順次に印加される。すなわち、Ｍ系列バイナリ符号で変調された直流電圧は、Ｍ系列バイナリ符号が“＋”の場合に対応する直流電圧がＬＮ位相変調器１１１に供給された場合にＬＮ位相変調器１１１から射出される光の位相とＭ系列バイナリ符号が“−”の場合に対応する直流電圧がＬＮ位相変調器１１１に供給された場合にＬＮ位相変調器１１１から射出される光の位相とが互いに１８０度異なるような電圧値である。これによって前記光パルスＬ２は、ＬＮ位相変調器１１１で、無変調の部分（サブ光パルスに対応する）とＭ系列バイナリ符号で変調された部分（メイン光パルスに対応する）とからなる光パルスＬ３となって射出される。

そして、ＥＤＦＡ１２１では、前記光パルスＬ３が所定の光強度となるまで増幅され、光パルスＬ４となって射出される。

さらに、光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングに応じて、サブ光パルスのパルス幅Ｄ_ｓｕｂとメイン光パルスのパルス幅Ｄに相当するパルス幅（Ｄ_ｓｕｂ＋Ｄ）の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１３４から乗算器１３３へ出力され、直流電源１３２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅（Ｄ_ｓｕｂ＋Ｄ）の直流電圧がＬＮ強度変調器１３１の信号電極に印加される。これによって前記光パルスＬ４は、ＬＮ強度変調器１３１で、ＥＤＦＡ１２１で光パルスＬ４に付随した自然放出光（ＡＳＥ）等のノイズが除去され、パルス幅Ｄ_ｓｕｂであって無変調であるサブ光パルスとパルス幅Ｄであってスペクトル拡散方式で符号化されたメイン光パルスとから成るポンプ光Ｌ５となって射出される。

そして、制御処理部１３は、光パルス生成部３におけるポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス、光パルスＬ４）の生成タイミングに応じて、光スイッチ４および光スイッチ２２をオンする。制御処理部１３は、ポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）の生成タイミングをブリルアン時間領域検出計１４に通知する。

光スイッチ４がオンされると、ポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）は、光カプラ５に入射され、２つに分岐される。分岐された一方のポンプ光は、光強度・偏光調整部６に入射され、光強度・偏光調整部６でその光強度が調整され、その偏光方向がランダム（無作為）に調整され、光サーキュレータ７、光カプラ８および光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端に入射される。一方、光カプラ５で分岐された他方のサブ光パルスおよびメイン光パルスは、ブリルアン時間領域検出計１４に入射される。

ブリルアン時間領域検出計１４は、ポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）のスペクトルを計測し、ポンプ光の周波数および光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第１ＡＴＣ１０、第１ＡＦＣ１１および光強度・偏光調整部６を制御する。

一方、光スイッチ２２がオンされると、連続光（プローブ光）は、光カプラ２３に入射され、２つに分岐される。分岐された一方のプローブ光（連続光）は、光強度調整部２４に入射され、光強度調整部２４でその光強度が調整され、１×２光スイッチ２５に入射される。１×２光スイッチ２５は、第１態様でブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）が実行される場合には、入力端子から入射された光が光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射されるように切り換えられており、プローブ光（連続光）は、光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射される。一方、１×２光スイッチ２５は、第２態様でブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）が実行される場合には、入力端子から入射された光が光カプラ８および光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射されるように切り換えられており、プローブ光（連続光）は、光カプラ８および光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射される。一方、光カプラ２３で分岐された他方のプローブ光（連続光）は、ブリルアン時間領域検出計１４に入射される。

ブリルアン時間領域検出計１４は、プローブ光（連続光）のスペクトルを計測し、プローブ光の周波数および光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第２ＡＴＣ１８、第２ＡＦＣ１９および光強度調整部２４を制御する。

第１態様のブリルアンスペクトラム時間領域分析では、検出用光ファイバ１５の一方端に入射したポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）は、検出用光ファイバ１５の他方端から入射され検出用光ファイバ１５を伝播するプローブ光（連続光）と誘導ブリルアン散乱現象を生じさせながら検出用光ファイバ１５の一方端から他方端へ伝播する。第２態様のブリルアンスペクトラム時間領域分析では、検出用光ファイバ１５の一方端に入射したポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）は、検出用光ファイバ１５の一方端から入射され検出用光ファイバ１５の他方端で反射して検出用光ファイバ１５を伝播するプローブ光（連続光）と誘導ブリルアン散乱現象を生じさせながら検出用光ファイバ１５の一方端から他方端へ伝播する。このようなポンプ光とプローブ光との相互作用に基づいて光スイッチ４および光スイッチ２２におけるオン／オフのタイミングが制御処理部１３によって調整される。

誘導ブリルアン散乱現象にかかる光は、検出用光ファイバ１５の一方端から射出され、光コネクタ９、光カプラ８および光サーキュレータ７を介してブリルアン時間領域検出計１４に入射される。ブリルアン時間領域検出計１４では、誘導ブリルアン散乱現象にかかる光は、上述したように直接検波によって抽出され、受光素子によって電気信号に変換され、整合フィルタによってフィルタリングされる。この整合フィルタは、例えば、図５（Ｂ）に示すように、光パルス生成部３のＬＮ位相変調器１１１でＭ系列バイナリ符号によって位相変調した位相変調パターン（Ｐ_１Ｐ_２Ｐ_３・・・Ｐ_ｎ−１Ｐ_ｎ）を時間的に反転した逆位相変調パターン（Ｐ_ｎＰ_ｎ−１・・・Ｐ_３Ｐ_２Ｐ_１）のフィルタである。例えば、メイン光パルスの各セルがＭ系列バイナリ符号によって“＋−＋＋−＋・・・＋−”の位相変調パターンで変調されている場合には、整合フィルタは、この位相変調パターンを時間的に反転した“−＋・・・＋−＋＋−＋”の逆パターンとなる。このような整合フィルタを用いることによって、スペクトル拡散符号化されたメイン光パルスに起因した誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を精度よく検出することが可能となる。ブリルアン時間領域検出計１４は、制御処理部１３から通知された前記生成タイミングに基づいて、この受光した誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を時間領域分析し、検出用光ファイバ１５の長尺方向における誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度の分布を測定する。

ここで、誘導ブリルアン散乱現象にかかるポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）とプローブ光（連続光）との間における相互作用の程度は、これら各光の偏光面の相対関係に依存するが、本実施形態にかかる分布型光ファイバセンサＳでは、測定ごとに光強度・偏光調整部６でポンプ光の偏光面がランダムに変わるので、測定を複数回実行してその平均値を採用することによって、この依存性を実質的に解消することができる。このため、精度よく誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度の分布を得ることができる。

このような検出用光ファイバ１５の長尺方向における誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度の分布が、例えば第２光源２０から射出されるプローブ光（連続光）の周波数を制御処理部１３の制御によって所定の周波数間隔で所定の周波数範囲で掃引することによって、各周波数において高精度かつ高空間分解能で測定される。その結果、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分におけるブリルアンスペクトルが高精度かつ高空間分解能で得られる。

そして、ブリルアン時間領域検出計１４は、検出用光ファイバ１５に歪みを生じていない部分におけるブリルアンスペクトルのピークに対応する周波数を基準に、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分におけるブリルアンスペクトルのピークに対応する周波数の差を求めることによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各部分におけるブリルアン周波数シフトを高精度かつ高空間分解能で求める。

そして、ブリルアン時間領域検出計１４は、この各領域部分のブリルアン周波数シフトから検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分における歪みおよび／または温度を高精度かつ高空間分解能で求める。この求めた検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分における歪みおよび／または温度の分布は、ＣＲＴ表示装置やＸＹプロッタやプリンタ等の不図示の出力部に提示される。

このような構成に分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ１、Ｓ２）では、ポンプ光を、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することかができるから、歪みおよび／または温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。計測可能距離は、従来、数ｋｍであったが、本実施形態では、１００ｋｍ程度が可能である。

なお、図１に示す構成の分布型光ファイバセンサＳは、その構成要素の一部によって、ＢＯＴＤＲを構成することも可能である。

図６は、図１に示す分布型光ファイバセンサをＢＯＴＤＲに構成した場合における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。図７は、狭線幅光バンドパスフィルタを説明するための図である。図７（Ａ）は、狭線幅光バンドパスフィルタの構成を示すブロック図であり、図７（Ｂ）ないし（Ｄ）は、狭線幅光バンドパスフィルタの動作を説明するための図である。

図６において、このＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ３）は、第１光源１と、光パルス生成部３と、光スイッチ４と、光カプラ５と、光強度・偏光調整部６と、光サーキュレータ７と、光コネクタ９と、第１ＡＴＣ１０と、第１ＡＦＣ１１と、制御処理部１３と、ブリルアン時間領域検出計１４と、検出用光ファイバ１５とを備えて構成されている。なお、図６では、第１光源１と光パルス生成部３との間に介在する光カプラ２、および、光サーキュレータ７と光コネクタ９との間に介在する光カプラ８は、図１に示す分布型光ファイバセンサＳをＢＯＴＤＲに構成した場合では、実質的に機能しないので、図６では、その図示を省略してある。

ＢＯＴＤＲの場合では、ブリルアン時間領域検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ３）の各部を制御し、所定のサンプリング間隔で受光した自然ブリルアン散乱現象にかかる光を検出することによって検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分のブリルアン・ゲイン・スペクトルをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて各領域部分のブリルアン周波数シフトをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のブリルアン周波数シフトに基づいて検出用光ファイバ１５の歪み分布および／または温度分布を検出する。第２入力端子から入射された各入射光は、光電変換を行う受光素子によって受光光量に応じた電気信号に変換され、アナログ／ディジタル変換器によってこの電気信号がディジタルの電気信号に変換され、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求めるために用いられる。第３入力端子から入射された入射光は、例えば図７に示す光バンドパスフィルタ（以下、「光ＢＰＦ」と略記する。）によって自然ブリルアン散乱現象にかかる光が抽出され、受光素子によって電気信号に変換され、整合フィルタによってフィルタリングされ、アナログ／ディジタル変換器によってディジタルの電気信号に変換され、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求めるために用いられる。また、必要に応じて、ディジタル変換される前に増幅回路によって電気信号が増幅される。

前記第３入力端子に光学的に接続される前記光ＢＰＦは、狭い所定の透過周波数帯域の光部品、すなわち、狭い所定の周波数帯域の光を透過すると共にこの所定の周波数帯域を除く帯域の光を遮断する光部品である。このような光ＢＰＦ３１は、例えば、図７（Ａ）に示すように、第１ファブリペローエタロンフィルタ（以下、「ＥＦ」と略記する。）３１１と、第１ＥＦ３１１に光学的に接続される第２ＥＦ３１２とを備えて構成される。第１ＥＦ３１１は、図７（Ｂ）に示すように、その半値全幅ＦＷＨＭ１が、光ＢＰＦ３１における所定の透過周波数帯域に相当する周波数幅であるように設定されるとともに、その透過周波数帯域の中心周波数ｆａ１の一つが、光ＢＰＦ３１における透過周波数帯域の中心周波数ｆａと一致するように設定される。第２ＥＦ３１２は、図７（Ｃ）に示すように、そのＦＳＲ（Free Spectral Range、フリースペクトラムレンジ）２が光パルス（サブ光パルスおよびメイン光パルス）の周波数と自然ブリルアン後方散乱光の周波数との間の周波数間隔より広くなるように設定されるとともに、その透過周波数帯域が第１ＥＦ３１１の透過周波数帯域を含むようにするために、その半値全幅ＦＷＨＭ２が第１ＥＦ３１１の半値全幅ＦＷＨＭ１以上に設定され、そして、その透過周波数帯域の中心周波数ｆａ２の一つが光ＢＰＦ３１における透過周波数帯域の中心周波数ｆａと一致するように設定される。このような構成の光ＢＰＦ３１では、第１ＥＦ３１１で、前記所定の透過周波数帯域に相当する周波数の光が透過する。すなわち、第１ＥＦ３１１のＦＳＲ１ごとに半値全幅ＦＷＨＭ１に相当する周波数の光が透過する。そして、第１ＥＦ３１１を透過した光は、第２ＥＦ３１２で、第１ＥＦ３１１の中心周波数ｆａ１の透過周波数帯域に相当する周波数の光のみが透過する。このため、このような構成の狭帯域な光ＢＰＦ３１の透過周波数特性は、図７（Ｂ）に示す第１ＥＦ３１１の透過周波数特性と図７（Ｃ）に示す第２ＥＦ３１２の透過周波数特性とを合成した特性となり、図７（Ｄ）に示すように、その透過周波数帯域の中心周波数ｆａが周波数ｆａ１（＝ｆａ２）で、その半値全幅ＦＷＨＭが第１ＥＦ３１１の半値全幅ＦＷＨＭ１で、そして、そのＦＳＲが第２ＥＦ３１２のＦＳＲ２となる。なお、第１ＥＦ３１１と第２ＥＦ３１２とは、逆に光学的に接続されてもよい。

また、ＢＯＴＤＲの場合では、制御処理部１３は、ブリルアン時間領域検出計１４と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の歪みおよび／または温度の分布を高空間分解能でかつより遠距離まで測定するように、第１光源１、第１ＡＴＣ１０、第１ＡＦＣ１１、光パルス生成部３、光スイッチ４および光強度・偏光調整部６を制御する。

このような構成のＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ３）では、第１光源１および光パルス生成部３によって生成されたサブ光パルスおよびメイン光パルス光は、光スイッチ４、光カプラ５、光強度・偏光調整部６、光サーキュレータ７および光コネクタ９を介して、検出用光ファイバ１５の一方端から入射される。メイン光パルスには、スペクトル拡散方式が用いられる。検出用光ファイバ１５で自然ブリルアン散乱現象の作用を受けた光（自然ブリルアン後方散乱光）が検出用光ファイバ１５の一方端から射出され、ブリルアン時間領域検出計１４によって受光される。そして、ブリルアン時間領域検出計１４によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析（Ｂ^Ｇain−ＯＴＤＲ）が行われ、ブリルアン周波数シフトに基づいて歪みおよび／または温度が検出される。なお、自然ブリルアン散乱現象にかかる光は、自然ブリルアン後方散乱光である。

このような構成のＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ３）でも、光パルスを、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することかができるから、歪みおよび／または温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。

図８は、全体から構成要素を減算することによってブリルアン周波数シフトを求める方法を説明するための図ある。図８の横軸は、ＭＨｚ単位で表す周波数であり、その縦軸は、ｍＷ単位で表すブリルアン・ゲインである。図８（Ａ）は、第１ないし第３ブリルアンスペクトルを示し、図８（Ｂ）は、全体から第２および第３ブリルアンスペクトルを減算した結果を示す。そして、図８（Ａ）の実線は、全体のブリルアンスペクトルである第１ブリルアンスペクトルであり、破線は、その構成要素である第２ブリルアンスペクトルと第３ブリルアンスペクトルとの和である。

なお、本実施形態にかかるＢＯＴＤＡの分布型光ファイバセンサＳにおいて、まず、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、ポンプ光としてのサブ光パルスおよびメイン光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、ブリルアン時間領域検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第１誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて第１ブリルアンスペクトルを求める。次に、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、ポンプ光としてのメイン光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、ブリルアン時間領域検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第２誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて第２ブリルアンスペクトルを求める。そして、ブリルアン時間領域検出計１４は、これら第１ブリルアンスペクトルと第２ブリルアンスペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪みおよび／または温度を測定してもよい。あるいは、次に、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、ポンプ光としてのサブ光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、ブリルアン時間領域検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第３誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて第３ブリルアンスペクトルを求める。そして、ブリルアン時間領域検出計１４は、これら第１ブリルアンスペクトルと第３ブリルアンスペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪みおよび／または温度を測定してもよい。このように構成することによって、ＢＯＴＤＡにおいて、ブリルアン周波数シフトを求める際に、ブリルアンスペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフトをより簡単により高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度をより簡単により高精度に求めることが可能となる。

あるいは、例えば、図８において、まず、分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ１、Ｓ２）を上述のように動作させることによって、第１ブリルアンスペクトル（図８（Ａ）の実線）を求める。次に、分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ１、Ｓ２）を上述のように動作させることによって、第２および第３ブリルアンスペクトルをそれぞれ求める。次に、ブリルアン時間領域検出計１４は、これら第１ブリルアンスペクトル（図８（Ａ）の実線）と第２ブリルアンスペクトルおよび第３ブリルアンスペクトルの和（図８（Ａ）の破線）との差（図８（Ｂ））を求める。そして、ブリルアン時間領域検出計１４は、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪みおよび／または温度を測定してもよい。このように構成することによって、ＢＯＴＤＡにおいて、ブリルアン周波数シフトを求める際に、ブリルアンスペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフトをさらにより簡単にさらにより高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることが可能となる。

また、本実施形態にかかるＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサＳにおいて、まず、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、サブ光パルスおよびメイン光パルスを入射させ、ブリルアン時間領域検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第１自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。次に、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、メイン光パルスを入射させ、ブリルアン時間領域検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第２自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて第２ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。そして、ブリルアン時間領域検出計１４は、これら第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第２ブリルアン・ゲイン・スペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪みおよび／または温度を測定してもよい。あるいは、次に、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、サブ光パルスを入射させ、ブリルアン時間領域検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第３自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。そして、ブリルアン時間領域検出計１４は、これら第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪みおよび／または温度を測定してもよい。このように構成することによって、ＢＯＴＤＲにおいて、ブリルアン周波数シフトを求める際に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフトをより簡単により高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度をより簡単により高精度に求めることが可能となる。

あるいは、第２および第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルをそれぞれ求め、そして、ブリルアン時間領域検出計１４は、これら第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第２ブリルアン・ゲイン・スペクトルおよび第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪みおよび／または温度を測定してもよい。このように構成することによって、ＢＯＴＤＲにおいて、ブリルアン周波数シフトを求める際に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフトをさらにより簡単にさらにより高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることが可能となる。

このような無変調のサブ光パルスとスペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとからなる光パルスを用いた分布型光ファイバセンサＳにおける数値実験結果（シミュレーション結果）について説明する。この数値実験結果は、例えば、ＢＯＴＤＡにおいて、第１ブリルアンスペクトルと第２ブリルアンスペクトルおよび第３ブリルアンスペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度を測定した結果である。

図９は、図５（Ａ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。図９（Ａ）は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示し、図９（Ｂ）は、ブリルアン周波数シフトを示す。図９（Ａ）のｘ軸は、周波数（ＭＨｚ）であり、ｙ軸は、ブリルアンゲイン（ｎＷ）であり、ｚ軸は、検出用光ファイバ１５の長尺方向における距離（ｍ）である。図９（Ｂ）の横軸は、前記距離（ｍ）であり、その縦軸は、ピーク周波数（ＭＨｚ）である。実線は、測定されたピーク周波数であり、破線は、ブリルアン周波数シフトである。

本実験では、ポンプ光は、図５（Ａ）に示すように、パルス幅３０ｎｓのサブ光パルスと、このサブ光パルスに連続して後続するパルス幅１２．７ｎｓのメイン光パルスとからなり、メイン光パルスは、セル幅０．１ｎｓの１２７個のセルに分割されており、各セルは、Ｍ系列バイナリ符号で変調（符号化）され、スペクトル拡散符号化されている。

検出用光ファイバ１５には、表１に示すように、ｚ＝１００ｃｍからｚ＝１０１ｃｍまでの第１区間、ｚ＝２００ｃｍからｚ＝２０２ｃｍまでの第２区間、ｚ＝３００ｃｍからｚ＝３０３ｃｍまでの第３区間、ｚ＝４００ｃｍからｚ＝４０４ｃｍまでの第４区間の各区間のそれぞれに、ブリルアン周波数シフト換算で８０ＭＨｚの歪み（＝約１６００με）が予め与えられている。

このような検出用光ファイバ１５にスペクトル拡散方式を一部に用いられた前記ポンプ光を入射させ、測定すると、図９（Ａ）に示すブリルアン・ゲイン・スペクトルが得られ、その結果、図９（Ｂ）に示すブリルアン周波数シフトが得られる。

図９に示すように、表１に示す各歪み位置に、予め与えられた大きさの歪みが測定されており、高精度かつ高空間分解能で歪みが求められていることが理解される。

このようにメイン光パルスにスペクトル拡散方式を用いても高精度かつ高空間分解能で歪みを求めることができている。そして、上述したように、ポンプ光を、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することができるから、歪みを高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。

なお、上述の実施形態では、図５に示す態様のポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）が用いられたが、これに限定されるものではなく、例えば、図１０に示す態様のポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）が用いられてもよい。

図１０は、ポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）の他の構成を説明するための図であり、図１０（Ａ）は、ポンプ光の他の第１構成を示し、図１０（Ｂ）は、ポンプ光の他の第２構成を示す。

図５（Ａ）に示すポンプ光は、サブ光パルスの光強度がメイン光パルスの光強度と同一レベルであったが、例えば、図１０（Ａ）に示すように、ポンプ光は、サブ光パルスの光強度がメイン光パルスの光強度よりも小さくてもよい。サブ光パルスは、上述したように、メイン光パルスに時間的に先行して音響フォノンを立ち上げる役割を果たすので、メイン光パルスのように大きな光強度が必要ではなく、メイン光パルスの光強度よりも小さくてよい。

また、図５（Ａ）および図１０（Ａ）に示す各ポンプ光は、サブ光パルスがメイン光パルスと重なることなくメイン光パルスに時間的に先行するように構成されたが、例えば、図１０（Ｂ）に示すように、ポンプ光は、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持っていてもよい。このような構成のポンプ光では、メイン光パルスに時間的に先行してサブ光パルスによって音響フォノンを立ち上げる観点から、メイン光パルスと重なっていないサブ光パルスの部分がメイン光パルスに対して時間的に先行していることが好ましく、さらに、このメイン光パルスと重なっていないサブ光パルスの部分が音響フォノンを完全に立ち上げる時間以上、例えば約３０ｎｓ以上であることがより好ましい。

ここで、このようなスペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと前記メイン光パルスと重なった部分を持つサブ光パルスとからなるポンプ光を分布型光ファイバセンサＳに用いた場合における数値実験結果について説明する。この数値実験結果は、図９に示す数値実験結果と同様に、例えば、ＢＯＴＤＡにおいて、第１ブリルアンスペクトルと第２ブリルアンスペクトルおよび第３ブリルアンスペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度を測定した結果である。

図１１は、図１０（Ｂ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。図１１（Ａ）は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示し、図１１（Ｂ）は、ブリルアン周波数シフトを示す。図１１（Ａ）および（Ｂ）における各軸は、図９（Ａ）および（Ｂ）とそれぞれ同じである。

本実験では、ポンプ光は、図１０（Ｂ）に示すように、パルス幅１３２．３ｎｓのサブ光パルスと、このサブ光パルスに対し３０ｎｓだけ時間的に遅れてこのサブ光パルスと重なっているパルス幅１０２．３ｎｓのメイン光パルスとからなり、メイン光パルスは、セル幅０．１ｎｓの１０２３個のセルに分割されており、各セルは、Ｍ系列バイナリ符号で変調され、スペクトル拡散符号化されている。

検出用光ファイバ１５には、上述と同様に、表１に示すように、第１ないし第４区間の各区間のそれぞれに、ブリルアン周波数シフト換算で８０ＭＨｚの歪み（＝約１６００με）が予め与えられている。

このような検出用光ファイバ１５に図１０（Ｂ）に示す構成の前記ポンプ光を入射させ、測定すると、図１１（Ａ）に示すブリルアン・ゲイン・スペクトルが得られ、その結果、図１１（Ｂ）に示すブリルアン周波数シフトが得られる。

図１１に示すように、表１に示す各歪み位置に、予め与えられた大きさの歪みが測定されており、高精度かつ高空間分解能で歪みが求められていることが理解される。

このようにサブ光パルスとメイン光パルスとに重なった部分が存在する場合でも、高精度かつ高空間分解能で歪みを求めることができている。そして、上述したように、ポンプ光を、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することかができるから、歪みを高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。

さらに、本実施形態の分布型光ファイバセンサＳに用いられるポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）の他の態様について説明する。

図１２は、ポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）のさらに他の構成および整合フィルタを説明するための図であり、図１２（Ａ）は、ポンプ光の構成を示し、図１２（Ｂ）は、整合フィルタを示す図である。図１３は、図１２（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するための、光パルス生成部の構成およびその動作を説明するための図である。

図１０（Ｂ）に示す構成のポンプ光は、メイン光パルスに時間的に先行する部分を持ちつつメイン光パルスと重なった部分を持ったサブ光パルスと、前記メイン光パルスとから構成されたが、図１２（Ａ）に示すように、ポンプ光は、メイン光パルスに時間的に先行する部分を持つことなくメイン光パルスと時間的に完全に一致するように重なったサブ光パルスと、前記メイン光パルスとから構成されてもよい。すなわち、サブ光パルスの立ち上がりタイミングおよびその立ち下がりタイミングは、メイン光パルスの立ち上がりタイミングおよびその立ち下がりタイミングとそれぞれ一致している。

このような図１２（Ａ）に示す構成のポンプ光は、例えば、図１３に示す構成の光パルス生成部３から生成することができる。図１３に示す構成の光パルス生成部３では、その構成は、図４に示す光パルス生成部３および光スイッチ４の構成と一致し、その動作が、図４に示す光パルス生成部３の動作と異なるものである。このため、ここでは、その構成の説明を省略し、その動作について説明する。

まず、図１２（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するために、ＬＮ強度変調器１０１は、サブ光パルスを生成するために、所定のレベルの光（漏れ光）が漏れ出す（射出する）ように、オンされている。

第１光源１から射出された連続光Ｌ１１（＝Ｌ１）は、光カプラ２を介して光パルス生成部３のＬＮ強度変調器１０１に入射される。連続光Ｌ１１が入射されると、ＬＮ強度変調器１０１は、前記漏れ光を射出する。

光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Ｄに相当するパルス幅Ｄの動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１０４から乗算器１０３へ出力され、直流電源１０２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅Ｄの直流電圧がＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加される。これによって前記連続光Ｌ１１は、ＬＮ強度変調器１０１で、パルス幅Ｄの光パルスが漏れ光に重畳された光パルスＬ１２となって射出される。

そして、光パルス生成部３では、メイン光パルスの生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Ｄに相当する時間幅Ｄの間、疑似乱数がセル幅の時間タイミングで疑似乱数発生器１１４から乗算器１１３へ順次に出力され、直流電源１１２から入力された直流電圧と乗算され、メイン光パルスの生成タイミングから時間幅Ｄで、Ｍ系列バイナリ符号で変調された直流電圧がセル幅の時間タイミングでＬＮ位相変調器１１１の信号電極に順次に印加される。これによって前記光パルスＬ１２は、ＬＮ位相変調器１１１で、Ｍ系列バイナリ符号で変調された部分（メイン光パルスに対応する）が漏れ光に重畳された光パルスＬ１３となって射出される。

そして、ＥＤＦＡ１２１では、前記光パルスＬ１３が所定の光強度となるまで増幅され、光パルスＬ１４となって射出される。

さらに、光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングに応じて、サブ光パルスのパルス幅Ｄ_ｓｕｂ（＝メイン光パルスのパルス幅Ｄ）に相当するパルス幅Ｄ_ｓｕｂ（＝Ｄ）の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１３４から乗算器１３３へ出力され、直流電源１３２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅Ｄ_ｓｕｂ（＝Ｄ）の直流電圧がＬＮ強度変調器１３１の信号電極に印加される。これによって前記光パルスＬ１４は、ＬＮ強度変調器１３１で、ＥＤＦＡ１２１で光パルスＬ１４に付随した自然放出光等のノイズが除去されるとともに、光パルスＬ１４の前後の漏れ光に起因する光（ＥＤＦＡ１２１で増幅された漏れ光）が除去され、パルス幅Ｄ_ｓｕｂ（＝Ｄ）あって無変調であるサブ光パルスとパルス幅Ｄ（＝Ｄ_ｓｕｂ）であってスペクトル拡散符号化されたメイン光パルスとから成り、サブ光パルス上にメイン光パルスが時間的に完全に一致して重なったポンプ光Ｌ１５となって射出される。

ここで、図１０（Ｂ）や図１２（Ａ）に示すように、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合には、分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ１、Ｓ２）は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２、１（ｔ、ν）に対応するブリルアン周波数シフトを時系列データとして複数求める場合に、現時点の成分Ｖ_２、１（ｔ、ν）を成分Ｖ_２、１（ｔ、ν）に対応する過去のブリルアン周波数シフトに基づいて所定の関数式を用いることによって推定し、上述した前記第１ブリルアンスペクトルから前記第２ブリルアンスペクトルおよび前記第３ブリルアンスペクトルを減算した結果から、さらに前記推定結果＾Ｖ_２、１（ｔ、ν）を減算するように構成されてもよい。このように構成することによって、より高精度に検出用光ファイバ１５に生じた歪みおよび／または温度を測定することが可能となる。

このメイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合では、より正確には、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）は、４つの成分から構成され、式１３および式１４（式１４−１〜式１４−４）によって表される。

なお、式１４−１、式１４−２および式１４−４は、それぞれ、上述の式７−１、式７−２および式７−３と同じである。

そして、その点広がり関数ψ（ｔ、ν）は、上述の式８によって表され、ポンプ光がメイン光パルスとサブ光パルスとから構成されることから、この点広がり関数ψ（ｔ、ν）は、上述の式９および式１０によって表される。なお、図１４に、点広がり関数ψ（ｔ、ν）の計算例を示す。図１４（Ａ）は、点広がり関数ψ_１，１（ｔ、ν）を示し、図１４（Ｂ）は、点広がり関数ψ_１，２（ｔ、ν）を示し、図１４（Ｃ）は、点広がり関数ψ_２，１（ｔ、ν）を示し、そして、図１４（Ｄ）は、点広がり関数ψ_２，２（ｔ、ν）を示す。

メイン光パルスとサブ光パルスから成るポンプ光と連続光のプローブ光とを検出用光ファイバ１５に入射させた場合に、Ｖ_１，１（ｔ，ν）は、検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光のうち、メイン光パルスとプローブ光とにより励起されたフォノンにメイン光パルスが散乱されて生じる成分であり、Ｖ_１，２（ｔ，ν）は、前記場合に、検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光のうち、サブ光パルスとプローブ光とにより励起されたフォノンにメイン光パルスが散乱されて生じる成分であり、Ｖ_２，１（ｔ，ν）は、前記場合に、検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光のうち、メイン光パルスとプローブ光とにより励起されたフォノンにサブ光パルスが散乱されて生じる成分であり、そして、Ｖ_２，２（ｔ，ν）は、検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光のうち、サブ光パルスとプローブ光とにより励起されたフォノンにサブ光パルスが散乱されて生じる成分である。

なお、このＶ_１，１（ｔ，ν）は、ポンプ光としてのメイン光パルスとプローブ光としての連続光とを検出用光ファイバ１５に入射させ、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づくものであり、また、Ｖ_２，２（ｔ，ν）は、ポンプ光としてのサブ光パルスとプローブ光としての連続光とを検出用光ファイバ１５に入射させ、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づくものである。

例えば歪み区間の幅が比較的短くかつそれ以外では歪みがない場合には、［課題を解決するための手段］の欄で説明したように、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）は、メイン光パルスが疑似乱数によってスペクトル拡散されているため、フラットなスペクトルとなり、図１１に示すように、高精度かつ高空間分解能で歪みが求められるが、より一般的には、歪みおよび／または温度を高精度かつ高空間分解能で求めるために、この成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）を考慮する必要がある。この成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）は、次のように考慮され、分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ１、Ｓ２）は、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合に、より一般的に、歪みおよび／または温度を高精度かつ高空間分解能で求めること可能となる。

この成分Ｖ_２、１（ｔ、ν）における点広がり関数ψ_２，１（ｔ、ν）は、式１５のように表され、このうちのｓに関する積分は、ｔ＜０である場合には、式１６のように表される。ここで、ｔ＜０の場合には常にｔ−｜τ｜＜０であることから、メイン光パルスがスペクトル拡散（パルス圧縮）される場合には、式１６によって表される積分値は、０となる。したがって、この場合、点広がり関数ψ_２，１（ｔ、ν）は、０に近似される。このことは、図１４（Ｃ）からも理解される。

そして、この点広がり関数ψ_２，１（ｔ、ν）がｔ≧０の範囲においてのみ０ではない値を持つことは、式１７が、ν_Ｂ（ｖ_ｇｓ／２）、ｓ≦ｔによって決定され、ν_Ｂ（ｖ_ｇｓ／２）、ｓ＞ｔには、依存しないことを意味する。このことから、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２、１（ｔ、ν）は、時間ｔにおいて、前記時間ｔまでのブリルアン周波数シフトν_Ｂ（ｓ）、ｔ−Ｄ≦ｓ≦ｔから推定することが可能となる。すなわち、時間ｔにおけるブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２、１（ｔ、ν）の推定値は、式１８のように表され、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合におけるブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）は、式１９のように表され、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）の影響を略取り除くことが可能となる。

なお、上記式中において、成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）の推定値は、推定値であることを表す符号“＾”をオーバラップさせた“Ｖ”で表記されている。

上述の式１８および式１９によって表される処理は、例えば、次の信号処理部によって実現される。

図１５は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２、１（ｔ、ν）を取り除いてブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）を求めるための信号処理部の構成を示すブロック図である。図１５における添え字ｎは、時間を離散化してｔ_ｎ＝ｎ△ｔ（ｎ＝１、２、３、・・・）とした場合において、当該変数が時間ｔ_ｎにおける値であることを表す。なお、時間刻み幅△ｔは、メイン光パスルを周波数拡散する場合における前記セル幅と同程度かそれ以下に設定される。

この信号処理部４１は、例えば、図１５に示すように、減算部４１１と、ブリルアン周波数シフト推定部（ＢＦＳ推定部）４１２と、ブリルアン周波数シフト推定値記憶部（ＢＦＳ推定値記憶部）４１３と、Ｖ_２，１成分推定部４１４とを備えて構成される。信号処理部４１は、例えばブリルアン時間領域検出計１４にさらに搭載され、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合に利用される。信号処理部４１は、ハードウェア的に構成されてもよく、また、ソフトウェア的に構成されてもよい。ソフトウェア的に構成される場合には、信号処理部４１は、ブリルアン時間領域検出計１４に実装されたマイクロコンピュータ上に機能的に実現される。

減算部４１１は、入力信号Ｙ_ｎ（ν）からＶ_２，１成分推定部４１４からの出力信号＾Ｖ_２、１（ｔ_ｎ−１、ν）を減算し、この減算結果Ｘ_ｎ（ν）を出力する回路である。この入力信号Ｙ_ｎ（ν）は、上述した前記第１ブリルアンスペクトルから前記第２ブリルアンスペクトルおよび前記第３ブリルアンスペクトルを減算した信号である。すなわち、入力信号Ｙ_ｎ（ν）は、観測雑音（外乱雑音）をζ（ν）とすれば、式２０のように表される。

減算部４１１から出力される減算結果Ｘ_ｎ（ν）は、観察雑音ζ（ν）や推定誤差が無ければ、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）となる。すなわち、減算部４１１から出力される減算結果Ｘ_ｎ（ν）は、観察雑音ζ（ν）や推定誤差を含んだ、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）である。

ＢＦＳ推定部４１２は、減算部４１１から出力される減算結果Ｘ_ｎ（ν）をブリルアン・ゲイン・スペクトルとして扱うことによって、減算結果Ｘ_ｎ（ν）のピーク値からブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）を求め、この求めたブリルアン周波数シフトを離散時間ｔ_ｎにおけるブリルアン周波数シフトの推定値＾ν_Ｂ，ｎとするものである。ここでは、記載の都合上、推定値であることを表す符号“＾”は、“ν”の前に記載されているが、式中では、“＾”は、“ν”にオーバラップさせて表記されている。以下、同様である。この推定では、減算結果Ｘ_ｎ（ν）のピーク付近で減算結果Ｘ_ｎ（ν）またはその対数に放物線を当てはめるようにすることによって、比較的精度よく推定することが可能となる。ＢＦＳ推定部４１２の推定結果＾ν_Ｂ，１、＾ν_Ｂ，２、＾ν_Ｂ，３、・・・、＾ν_Ｂ，ｎは、信号処理部４１の出力とされると共に、ＢＦＳ推定値記憶部４１３へ出力される。

ＢＦＳ推定値記憶部４１３は、ＢＦＳ推定部４１２から出力される推定結果＾ν_Ｂ，１、＾ν_Ｂ，２、＾ν_Ｂ，３、・・・、＾ν_Ｂ，ｎを記憶するものである。ＢＦＳ推定値記憶部４１３は、これら記憶している全てのブリルアン周波数シフトの推定値＾ν_Ｂ，１、＾ν_Ｂ，２、＾ν_Ｂ，３、・・・、＾ν_Ｂ，ｎをＶ_２，１成分推定部４１４へ出力する。

Ｖ_２，１成分推定部４１４は、ＢＦＳ推定値記憶部４１３に記憶されている離散時間ｔ_ｎよりも前の時間に推定されたブリルアン周波数シフトの推定結果＾ν_Ｂ，１、＾ν_Ｂ，２、＾ν_Ｂ，３、・・・、＾ν_Ｂ，ｎに基づいて、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）を推定し、この推定したＶ_２，１成分推定値＾Ｖ_２，１（ｔ_ｎ、ν）を減算部４１１へ出力するものである。この減算部４１１へ出力されるＶ_２，１成分推定値＾Ｖ_２，１（ｔ_ｎ、ν）は、減算部４１１に入力されてくる次の入力信号Ｙ_ｎ（ν）に対し、１ステップ（＝△ｔ）の時間遅れ（Ｚ^−１）が生じており、離散時刻ｔ_ｎ−１におけるＶ_２，１成分推定値＾Ｖ_２，１（ｔ_ｎ−１、ν）となる。より具体的には、Ｖ_２，１成分推定部４１４は、式１８を離散化した式２１を演算することによって、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）の推定値＾Ｖ_２，１（ｔ、ν）を求める。

このＶ_２，１成分推定値＾Ｖ_２，１（ｔ_ｎ−１、ν）を用いると、減算部４１１の減算結果Ｘ_ｎ（ν）は、式２２のように表される。

このように構成することによって、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合において、分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ１、Ｓ２）は、より高精度に検出用光ファイバ１５に生じた歪みおよび／または温度を測定することが可能となる。

図１６は、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合であって比較的短い区間幅に歪みを与えている場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。図１６（Ａ）および（Ｂ）は、図１５に示す信号処理部４１による信号処理を実行していない場合の結果を示し、図１６（Ｃ）および（Ｄ）は、図１５に示す信号処理部４１による信号処理を実行している場合の結果を示す。図１６（Ａ）および（Ｃ）は、ブリルアン周波数シフトの推定値を示し、その横軸は、ｍ単位で表す距離であり、その縦軸は、ＭＨｚ単位で表すブリルアン周波数シフト値である。図１６（Ｂ）および（Ｄ）は、その推定誤差を示し、その横軸は、ｍ単位で表す距離であり、その縦軸は、ＭＨｚ単位で表す誤差値である。ＣＲＢは、いわゆるクラメール・ラオの限界と呼ばれる理論的な性能限界であり、よい推定値ほど誤差がこの限界に近づくという性質を有している。

図１６に示す実験では、図５（Ａ）等の場合と同様に、検出用光ファイバ１５には、表１に示すように、ｚ＝１００ｃｍからｚ＝１０１ｃｍまでの第１区間、ｚ＝２００ｃｍからｚ＝２０２ｃｍまでの第２区間、ｚ＝３００ｃｍからｚ＝３０３ｃｍまでの第３区間、ｚ＝４００ｃｍからｚ＝４０４ｃｍまでの第４区間の各区間のそれぞれに、８０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、これ以外の箇所では歪みが与えられていない（ブリルアン周波数シフトが０である）。

図１６（Ａ）および（Ｂ）と図１６（Ｃ）および（Ｄ）とを較べて見ると分かるように、区間幅２ｃｍの第２区間および区間幅３ｃｍの第３区間において、本信号処理部４１による信号処理を実行した方がよい推定値が得られており、これら推定誤差は、略理論限界に近い。

図１７は、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合であって比較的長い区間幅に歪みを与えている場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。図１７（Ａ）および（Ｂ）は、図１５に示す信号処理部４１による信号処理を実行していない場合の結果を示し、図１７（Ｃ）および（Ｄ）は、図１５に示す信号処理部４１による信号処理を実行している場合の結果を示す。図１７（Ａ）および（Ｃ）は、ブリルアン周波数シフトの推定値を示し、その横軸は、ｍ単位で表す距離であり、その縦軸は、ＭＨｚ単位で表すブリルアン周波数シフト値である。図１７（Ｂ）および（Ｄ）は、その推定誤差を示し、その横軸は、ｍ単位で表す距離であり、その縦軸は、ＭＨｚ単位で表す誤差値である。

図１７に示す実験では、検出用光ファイバ１５には、ｚ＝６０ｃｍからｚ＝８０ｃｍまでの第１１区間に１０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、ｚ＝１４０ｃｍからｚ＝１６０ｃｍまでの第１２区間に２０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、ｚ＝２２０ｃｍからｚ＝２４０ｃｍまでの第１３区間に３０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、ｚ＝３００ｃｍからｚ＝３２０ｃｍまでの第１４区間に４０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、ｚ＝３８０ｃｍからｚ＝４００ｃｍまでの第１５区間に５０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、これ以外の箇所では歪みが与えられていない（ブリルアン周波数シフトが０である）。

このような比較的長い区間幅（図１７に示す例では２０ｃｍ）である場合には、図１７（Ａ）および（Ｂ）と図１６（Ｃ）および（Ｄ）とを較べて見ると分かるように、本信号処理部４１による信号処理を実行しない場合には推定値に比較的大きな誤差が含まれているが、本信号処理部４１による信号処理を実行した場合には、推定誤差がほとんどなく、よい推定値が得られている。

また、これら図５（Ａ）、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）および図１２（Ａ）に示す構成の光パルス（サブ光パルスおよびメイン光パルス）は、上述のＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ３）でも、ＢＯＴＤＡの分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ１、Ｓ２）と同様に利用することが可能である。なお、ＢＯＴＤＲでは、上述したように、熱雑音によって励起されている音響フォノンを利用するため、サブ光パルスは、メイン光パルスに必ずしも時間的に先行する必要はない。もちろん、サブ光パルスがメイン光パルスよりも時間的に先行していてもよい。

また、上述の実施形態におけるＢＯＴＤＡの分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ１、Ｓ２）は、ポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）の周波数を固定し、プローブ光（連続光）の周波数を所定周波数範囲で掃引することによってブリルアンスペクトルを測定するものである。このため、第１光源１の発光素子は、必ずしも周波数可変半導体レーザである必要はなく、周波数固定の半導体レーザであってもよい。

また、上述の実施形態におけるＢＯＴＤＡの分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ１、Ｓ２）では、ポンプ光（サブ光パルスおよびメイン光パルス）の周波数が固定され、プローブ光（連続光）の周波数が所定の周波数範囲で掃引されてブリルアンスペクトルが測定されたが、プローブ光の周波数が固定され、ポンプ光の周波数が所定の周波数範囲で掃引されてブリルアンスペクトルが測定されてもよい。

また、上述の実施形態では、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）とブリルアンスペクトラム時間領域反射分析（ＢＯＴＤＲ）とが一体で実行可能なように分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）が構成されたが、ブリルアンスペクトラム時間領域分析が実行可能な分布型光ファイバセンサＳ１、Ｓ２とブリルアンスペクトラム時間領域反射分析が実行可能な分布型光ファイバセンサＳ３とで別体で構成されても良い。

また、本実施形態の分布型光ファイバセンサＳ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）では、セル幅は、任意の幅（秒）に設定することが可能である。前記実験では、セル幅は、０．１ｎｓ（ナノ秒）に設定されたが、例えばピコ秒オーダ等のさらに短く設定することが可能である。したがって、本実施形態の分布型光ファイバセンサＳは、ミリメートルオーダの超高分解能を実現することが可能であり、光学部品の歪み、例えば光導波路の歪みを計測することに適用することも可能である。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および/または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

Ｓ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ 分布型光ファイバセンサ
３ 光パルス生成部
１３ 制御処理部
１４ ブリルアン時間領域検出計
１１１ ＬＮ位相変調器
１１４ 疑似乱数発生器

Claims (8)

1. 誘導ブリルアン散乱現象を利用して歪みおよび／または温度を測定する分布型光ファイバセンサにおいて、
   スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、
   連続光を生成する連続光光源と、
   前記メイン光パルスが前記サブ光パルスよりも時間的に先に入射されないように前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが入射され、前記連続光が入射され、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスと前記連続光との間で誘導ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、
   前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、
   前記整合フィルタで検出された前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度を測定するブリルアン時間領域検出計とを備えること
   を特徴とする分布型光ファイバセンサ。
2. 前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスは、前記検出用光ファイバの一方端から入射され、
   前記連続光は、前記検出用光ファイバの他方端から入射され、
   前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出された前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度を測定すること
   を特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
3. 前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスは、前記検出用光ファイバの一方端から入射され、
   前記連続光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射され、
   前記検出用光ファイバは、伝播する前記連続光をその他方端で反射し、
   前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出した前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度を測定すること
   を特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
4. 前記ブリルアン時間領域検出計は、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスと前記連続光とが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第１誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたは第１ブリルアン・ロス・スペクトルと、前記メイン光パルスと前記連続光とが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第２誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第２ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたは第２ブリルアン・ロス・スペクトル、および／または、前記サブ光パルスと前記連続光とが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第３誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたは第２ブリルアン・ロス・スペクトルと、の差を求め、この求めた差に基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度を測定すること
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
5. 前記サブ光パルスは、前記メイン光パルスに対して時間的に先行して前記検出用光ファイバに入射されること
   を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
6. 前記メイン光パルスと前記サブ光パルスとは、時間的に重なった部分が存在すること
   を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
7. 自然散乱によるブリルアン散乱現象を利用して歪みおよび／または温度を測定する分布型光ファイバセンサにおいて、
   スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、
   前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが入射され、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが熱雑音による音波によって自然ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、
   前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記自然ブリルアン散乱現象にかかる光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、
   前記整合フィルタで検出された前記自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度を測定するブリルアン時間領域検出計とを備えること
   を特徴とする分布型光ファイバセンサ。
8. 前記ブリルアン時間領域検出計は、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第１自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルと、前記メイン光パルスが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第２自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第２ブリルアン・ゲイン・スペクトル、および／または、前記サブ光パルスが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第３自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルと、の差を求め、この求めた差に基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび／または温度を測定すること
   を特徴とする請求項７に記載の分布型光ファイバセンサ。