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公開番号2025034866
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-13
出願番号2023141528
出願日2023-08-31
発明の名称光ファイバセンサ及びブリルアン周波数シフト測定方法
出願人沖電気工業株式会社
代理人個人,個人
主分類G01D 5/353 20060101AFI20250306BHJP(測定;試験)
要約【課題】光パルスの消光比に基づいてBFSの算出を行うことで、BFSの測定誤差を補正可能にする。
【解決手段】光パルス列であるプローブ光を生成する光源部と、プローブ光を2分岐する光カプラと、光カプラで2分岐された一方のプローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光が入力されて、自己遅延型のヘテロダイン干渉により干渉信号を生成する干渉信号取得部と、光カプラで2分岐された他方のプローブ光の消光比を測定する消光比測定器と、信号処理手段とを備え手構成される。信号処理手段は、干渉信号からブリルアン周波数シフト量を、BFS測定値として算出するBFS算出手段と、消光比測定器で測定された消光比に基づいて、BFS測定値を補正してBFS真値を得る、消光比補正手段とを備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
光パルス列であるプローブ光を生成する光源部と、
前記プローブ光を２分岐する光カプラと、
前記光カプラで２分岐された一方のプローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光が入力されて、自己遅延型のヘテロダイン干渉により干渉信号を生成する干渉信号取得部と、
前記光カプラで２分岐された他方のプローブ光の消光比を測定する消光比測定器と、
信号処理手段と
を備え、
前記信号処理手段は、
前記干渉信号からブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）量を、ＢＦＳ測定値として算出するＢＦＳ算出手段と、
前記消光比測定器で測定された消光比に基づいて、ＢＦＳ測定値を補正してＢＦＳ真値を得る、消光比補正手段と
を備える光ファイバセンサ。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
光パルス列であるプローブ光を生成する光源部と、
前記プローブ光を２分岐する光カプラと、
前記光カプラで２分岐された一方のプローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を２分岐する分岐部と、
前記分岐部で２分岐された一方の散乱光が入力されて、自己遅延型のホモダイン干渉により干渉信号を生成する干渉信号取得部と、
前記分岐部で２分岐された他方の散乱光が入力されて、前記散乱光の強度を示す強度信号を生成する強度取得部と、
前記光カプラで２分岐された他方のプローブ光の消光比を測定する消光比測定器と、
信号処理手段と
を備え、
前記信号処理手段は、
前記干渉信号及び前記強度信号からブリルアン周波数シフト量を、ＢＦＳ測定値として算出するＢＦＳ算出手段と、
前記消光比測定器で測定された消光比に基づいて、ＢＦＳ測定値を補正してＢＦＳ真値を得る、消光比補正手段と
を備える光ファイバセンサ。
【請求項３】
前記信号処理手段は、さらに、
予め取得された、消光比と、ＢＦＳ真値に対するＢＦＳ測定値の比との関係から、消光比補正係数を算出する、補正係数算出手段
を備え、
前記消光比補正手段は、ＢＦＳ測定値を消光比補正係数で除算してＢＦＳ真値を取得する
請求項１又は２に記載の光ファイバセンサ。
【請求項４】
光パルス列であるプローブ光を生成する過程と、
前記プローブ光を２分岐する過程と、
２分岐された一方のプローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光が入力されて、自己遅延型のヘテロダイン干渉により干渉信号を生成する過程と、
２分岐された他方のプローブ光の消光比を測定する過程と、
前記干渉信号からブリルアン周波数シフト量を、ＢＦＳ測定値として算出する過程と、
前記消光比に基づいて、ＢＦＳ測定値を補正してＢＦＳ真値を得る過程と
を備えるブリルアン周波数シフト測定方法。
【請求項５】
光パルス列であるプローブ光を生成する過程と、
前記プローブ光を２分岐する過程と、
２分岐された一方のプローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を２分岐する過程と、
２分岐された一方の散乱光が入力されて、自己遅延型のホモダイン干渉により干渉信号を生成する過程と、
２分岐された他方の散乱光が入力されて、前記散乱光の強度を示す強度信号を生成する過程と、
２分岐された他方のプローブ光の消光比を測定する過程と、
前記干渉信号及び前記強度信号からブリルアン周波数シフト量を、ＢＦＳ測定値として算出する過程と、
前記消光比に基づいて、ＢＦＳ測定値を補正してＢＦＳ真値を得る過程と
を備えるブリルアン周波数シフト測定方法。
【請求項６】
さらに、
予め取得された、消光比と、ＢＦＳ真値に対するＢＦＳ測定値の比との関係から、消光比補正係数を算出する過程
を備え、
ＢＦＳ真値を取得する過程では、ＢＦＳ測定値を消光比補正係数で除算してＢＦＳ真値を取得する
請求項４又は５に記載のブリルアン周波数シフト測定方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
この発明は、ブリルアン散乱光を用いた光ファイバセンサ、及び、ブリルアン周波数シフト測定方法に関する。
続きを表示（約 1,900 文字）【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信の発展とともに、光ファイバ自体をセンシング媒体とする分布型光ファイバセンシングが盛んに研究されている。特に、散乱光を利用する光ファイバセンシングは、点ごとに計測する電気センサとは異なり、長距離の分布としての計測が可能であるため、被測定対象全体の物理量を計測することができる。
【０００３】
長距離の分布としての計測が可能な分布型光ファイバセンシングとして、光ファイバの片端から光パルスを入射し、光ファイバ中で後方散乱された光を時間に対して測定する時間領域リフレクトメトリ（ＯＴＤＲ：ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）が代表的である。光ファイバ中の後方散乱には、レイリー散乱、ブリルアン散乱及びラマン散乱がある。この中で自然ブリルアン散乱を測定するものはＢＯＴＤＲ（ＢｒｉｌｌｏｕｉｎＯＴＤＲ）と呼ばれる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
ブリルアン散乱は、光ファイバに入射される光パルスの中心周波数に対して、ストークス側及び反ストークス側にＧＨｚ程度周波数シフトした位置に観測され、そのスペクトルはブリルアン利得スペクトル（ＢＧＳ：ＢｒｉｌｌｏｕｉｎＧａｉｎＳｐｅｃｔｒｕｍ）と呼ばれる。ＢＧＳの周波数シフト及びスペクトル線幅は、それぞれブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ：ＢｒｉｌｌｏｕｉｎＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｈｉｆｔ）及びブリルアン線幅と呼ばれる。ＢＦＳ及びブリルアン線幅は、光ファイバの材質及び入射される光の波長によって異なる。例えば、石英系のシングルモード光ファイバの場合、波長１．５５μｍにおけるＢＦＳの大きさ及びブリルアン線幅は、それぞれ約１１ＧＨｚ及び約３０ＭＨｚとなることが報告されている。また、非特許文献１からシングルモードファイバ中の歪み、温度の変化に伴うＢＦＳの大きさは波長１．５５μｍにおいて、それぞれ０．０４９ＭＨｚ／με、１．０ＭＨｚ／℃である。
【０００５】
このように、ＢＦＳは歪みと温度に対して依存性を持つ。このため、ＢＯＴＤＲは橋梁やトンネルなどに代表される大型建造物の劣化診断、プラントの温度モニタリング、及び、地滑りが発生する恐れのある箇所の監視などの目的で利用可能であり、注目されている。
【０００６】
ＢＯＴＤＲでは、光ファイバ中で発生する自然ブリルアン散乱光のスペクトル波形を測定するため、別途用意した参照光とのヘテロダイン検波を行うのが一般的である。自然ブリルアン散乱光の強度はレイリー散乱光の強度に比べて２～３桁小さい。このため、ヘテロダイン検波は最小受光感度を向上させる上でも有用となる。
【０００７】
ここで、自然ブリルアン散乱光は非常に微弱なため、ヘテロダイン検波を適用しても十分な信号雑音比（Ｓ／Ｎ）を確保できない。その結果、Ｓ／Ｎ改善のための平均化処理が必要となる。ＢＯＴＤＲを行う従来の光ファイバ歪み測定装置では、時間、振幅及び周波数の３次元の情報を取得しているが、平均化処理とこの３次元情報の取得のため、測定時間の短縮が難しい。
【０００８】
これに対し、この出願に係る発明者らにより、自己遅延ヘテロダイン型のＢＯＴＤＲ（ＳＤＨ－ＢＯＴＤＲ：Ｓｅｌｆ－ｄｅｌａｙｅｄｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅＢＯＴＤＲ）
を利用する、光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ＳＤＨ－ＢＯＴＤＲでは、ＢＦＳの変化が、受信されるビート信号と局発信号の位相比較をすることで、ビート信号中の位相変化として観測される。このように、ＳＤＨ－ＢＯＴＤＲは、周波数掃引を必要とせずに直接ＢＦＳを算出できるため、高速かつ安価な測定を実現できる。
【０００９】
また、この出願に係る発明者らは、自己遅延干渉計として、自己遅延ホモダイン型のＢＯＴＤＲを利用する、光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法も提案している（例えば、特許文献２参照）。自己遅延ホモダイン型のＢＯＴＤＲは、構成がより簡便になるだけでなく、Ｓ／Ｎや空間分解能も向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
特開２０１６－１９１６５９号公報
特開２０１９－０６０７４３号公報
【非特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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