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【発明の名称】 光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法
【発明者】 【氏名】李 哲賢

【氏名】内山 晴義
【要約】 【課題】短期間で効率よく光ファイバの歪み及び歪み量を検出することができ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を提供すること。

【解決手段】異なるブリルアン周波数シフトを有する２種類の光ファイバをある距離に交互配置した被測定光ファイバ５０と、被測定光ファイバ５０の歪みがない状態の特性を初期データとして記憶する初期データ記憶部５０と、光周波数変換回路１４から出射される光パルスのうち、特定の光周波数の光パルスを被測定光ファイバ５０へ入射する光パルス取出回路１６と、被測定光ファイバ５０から出射されるブリルアン散乱光を受光する受光回路２４と、受光回路２４から出力される信号を演算処理し、被測定光ファイバ５０の特性データを得る信号処理部３０と、信号処理部３６が求めた特性データと初期データとを比較して、歪みが生じているか否かを判断する伸縮判断部５８とを備える。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 異なるブリルアン周波数シフトを有する２種類の光ファイバをある距離に交互配置した被測定光ファイバと、前記被測定光ファイバの歪みがない状態の特性を初期データとして記憶する初期データ記憶手段と、前記被測定光ファイバに、所定光周波数の光パルスを入射させる入射手段と、前記光パルスを入射した場合に前記被測定光ファイバから出射されるブリルアン散乱光を受光する受光手段と、前記受光手段から出力される信号を演算処理し、前記被測定光ファイバの特性データを得る信号処理手段と、前記信号処理手段が求めた特性データと前記初期データとを比較して、歪みが生じているか否かを判断する判断手段とを具備することを特徴とする光ファイバ歪み測定装置。
【請求項２】 前記初期データは、前記光パルスを前記被測定光ファイバに入射してから、出射されるブリルアン散乱光の光強度の時間変化を示す初期時間変化波形を含み、前記信号処理手段は、前記入射手段が光パルスを入射させてからのブリルアン散乱光の光強度の時間変化を示す時間変化波形を演算処理によって求める手段を有し、前記初期時間変化波形と前記時間変化波形とを比較して歪みが生じた位置を求める手段を具備することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ歪み測定装置。
【請求項３】 前記比較手段は、前記歪みが生じた位置におけるブリルアン散乱光の光強度に基づいて、歪みが伸びによるものか又は縮みによるものかを判断する手段を有することを特徴とする請求項２記載の光ファイバ歪み測定装置。
【請求項４】 予め前記被測定光ファイバに入射させる光パルスの光周波数を変化させて得た測定結果を２次曲線に近似する近似手段と、前記近似手段によって得られた２次曲線の係数及び前記２次曲線が極大となる光周波数を記憶する記憶手段とを具備することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ歪み測定装置。
【請求項５】 前記判断手段は、前記２次曲線が極大となる光周波数における光強度と前記特性データの光強度との差からブリルアン散乱光の光強度が極大となる光周波数を算出する手段を有し、前記２次曲線が極大となる光周波数と、当該算出した光周波数とから前記被測定光ファイバの歪み率を算出する歪算出手段を具備することを特徴とする請求項４記載の光ファイバ歪み測定装置。
【請求項６】 異なるブリルアン周波数シフトを有する２種類の光ファイバをある距離に交互配置した被測定光ファイバの歪みがない状態の特性を予め測定する過程と、前記被測定光ファイバに、所定光周波数の光パルスを入射させた場合に出射されるブリルアン散乱光の光強度の時間変化に基づいて前記被測定光ファイバの特性データを得る過程と、予め測定した被測定光ファイバの前記特性と、前記特性データとを比較して、歪みが伸びによるものか又は縮みによるものかを判断する過程とを有することを特徴とする光ファイバ歪み測定方法。
【請求項７】 前記特性データの時間変化と、予め測定した前記被測定光ファイバの経時変化特性とを比較して前記被測定光ファイバの歪みが生じた位置を求める過程を有することを特徴とする請求項６記載の光ファイバ歪み測定方法。
【請求項８】 前記歪みが生じた位置におけるブリルアン散乱光の光強度に基づいて、歪みが伸びによるものか又は縮みによるものかを判断する過程を有することを特徴とする請求項７記載の光ファイバ歪み測定方法。
【請求項９】 予め前記被測定光ファイバに入射させる光パルスの光周波数を変化させて得た測定結果を２次曲線に近似する過程と、前記近似手段によって得られた２次曲線の係数及び前記２次曲線が極大となる光周波数を記憶する過程と、前記２次曲線が極大となる光周波数における光強度と前記特性データの光強度との差からブリルアン散乱光の光強度が極大となる光周波数を算出する過程と、前記２次曲線が極大となる光周波数と、当該算出した光周波数とから前記被測定光ファイバの歪み率を算出する過程とを有することを特徴とする請求項８記載の光ファイバ歪み測定方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法に係り、特に被測定光ファイバに光パルスを入射した場合に生ずるブリルアン後方散乱光に応じて光ファイバの歪みを測定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に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、光パルスを光ファイバへ入射させ、光ファイバ中において生ずるブリルアン散乱光を検出して解析することにより、光ファイバの歪み等を測定する光ファイバ歪測定装置が案出されている。この光ファイバ歪み測定装置は、光ファイバ内のある位置で歪みが生じた場合に、任意位置で発生するブリルアン散乱光の周波数分布（スペクトル）が、歪みがない場合と比較して、歪み量に比例した値だけシフトすることを利用したものである。
【０００３】図９は、従来の光ファイバ歪み測定装置の構成例を示すブロック図である。図９において、１０は連続光のレーザ光を発生する光源であり、１２は光カプラである。光カプラ１２は２つの入射端及び２つの出射端が設けられ、一方の入射端には光源１０において発生するレーザ光が入射される。光カプラ１２は入射するレーザ光を分岐して各々の出射端から出射する。
【０００４】光カプラ１２の一方の出射端には光ファイバ１３が接続されている。また、光カプラ１２の他方の出射端は光周波数変換回路１４と光ファイバによって接続されている。光周波数変換回路１４は、入射される連続光の光周波数を変換し、一定の光周波数差を有する光パルス列を生成する。光周波数変換回路１４の出射端は光ファイバによって光パルス取出回路１６の入射端と接続されている。光パルス取出回路１６は入射される光パルス列から、所定の光周波数νを有する光パルスを取り出して出射する。
【０００５】光パルス取出回路１６の出射端は光カプラ１８の入射端に接続されている。光カプラ１８は１つの入射端及び２つの入出射端を有する。一方の入出射端には光ファイバが接続され、この光ファイバは光コネクタ１９を介して被測定光ファイバ２０と光学的に結合される。また、光カプラ１８の他方の入出射端には光ファイバ２２が接続されている。
【０００６】前述した光ファイバ１３及び光ファイバ２２は受光回路２４へ接続されている。受光回路２４は２つのフォトダイオードを有し、一方のフォトダイオードには光ファイバ１３を介して出射される光が入射され、他方のフォトダイオードには光ファイバ２２から出射される光が入射される。受光回路２４は入射される各々の光に対してヘテロダイン検波を行うとともに電気信号へ変換する。
【０００７】２６は増幅回路であり、受光回路２６から出力される電気信号を増幅する。２８は、増幅回路２６から出力される電気信号に対して標本化及び量子化を行いディジタル信号に変換するアナログ−ディジタル変換回路（以下、Ａ／Ｄ変換回路と称する）である。３０は信号処理部であり、Ａ／Ｄ変換回路２８から出力されるディジタル信号に対してノイズ除去や対数変換等の信号処理を行う。３２は曲線近似部であり、被測定光ファイバ２０の光周波数特性を２次曲線に近似するためのものである。３４はピーク周波数検出部であり、曲線近似部３２において得られた近似２次曲線がピーク値となるときの光周波数を得るためのものである。３６は歪量算出部であり、測定結果から歪み量を算出する。３８は、ＣＲＴ（Cathod Ray Tube）や液晶等の表示部である。
【０００８】次に、上記構成による光ファイバ歪み測定装置の動作を説明する。
〔時間変化波形の測定〕図９において、光源１０から出射された連続光は、光カプラ１２において分岐され、分岐された連続光の一方は受光回路２４へ入射する。一方、分岐された他方の連続光は、光周波数変換回路１４へ入射する。
【０００９】光周波数変換回路１４は、光源１が生成した連続光に対して一定の光周波数差を有する光パルス列を生成する。光周波数変換回路１４から出射される光パルス列は光パルス取出回路１６へ入射し、所定の光周波数νを有する光パルスを取り出す。光パルス取出回路１６から出射された所定の光周波数νを有する光パルスは、光カプラ１８を介して被測定光ファイバ２０へ入射する。
【００１０】上記光パルスが被測定光ファイバ２０に入射すると、該被測定光ファイバ２０の各位置でブリルアン散乱光が発生する。被測定光ファイバ２０の各位置で発生したブリルアン散乱光は、被測定光ファイバ２０の入射端から各位置までの距離に比例した時間だけ遅れながら、順次、光カプラ１８を介して受光回路２４へ入射する。
【００１１】受光回路２４は、光源１０が生成した連続光を用いて、被測定光ファイバ２０の各位置で発生したブリルアン散乱光を順次、ヘテロダイン検波し、各位置のブリルアン散乱光の光強度に比例した電気信号を出力する。増幅回路２８は、受光回路２４から出力された電気信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換回路２８は、増幅回路２６により増幅された電気信号をＡ／Ｄ変換する。
【００１２】そして、信号処理部３０は、ディジタル信号に変換された電気信号値に対して、ノイズ除去、対数変換等の信号処理を行った後、該電気信号値を、光パルス入射からの経過時間（すなわち、被測定光ファイバの入射端からの距離）に対応させてプロットする。以上の処理により、光周波数νの光パルスを入射した場合におけるブリルアン散乱光の時間変化波形が得られる。
【００１３】図１０は表示部３８に表示される時間変化波形の一例を示す図である。図１０において、横軸は、光パルス入射からの時間を示している。ここで、光パルス入射からの時間は、被測定ファイバ２０の入射端から測定光ファイバ２０内の各位置までの距離に対応している。また、縦軸は、該各位置で発生したブリルアン散乱光の光強度を示している。図１０（ａ）に示したように、光パルスを被測定光ファイバ２０へ入射させた場合、被測定光ファイバ２０内で生ずるブリルアン散乱光の光強度は、被測定光ファイバ２０へ光パルスを入射させてからの時間、つまり光ファイバ２０の端部からの距離に応じて弱くなる。
【００１４】〔歪み量の算出〕次に、被測定光ファイバ２０の歪み量の算出方法について説明する。被測定光ファイバ２０の歪み量を算出する場合、図９に示す光ファイバ歪み測定装置は、光周波数変換回路１４を用いて、被測定光ファイバ２０へ入射される光パルスの光周波数νをある値ずつ順次変化させながら、前述した動作を繰り返す。これにより、図１０に示すような時間変化波形が、複数の光周波数各々について得られる。
【００１５】図１１は、複数の光周波数に対する時間変化波形の一例を示す３次元グラフである。この図において、横軸は、被測定光ファイバ２０へ入射される光パルスの光周波数νを示し、縦軸は、ブリルアン散乱光の光強度を示し、両軸と直交する軸（図中符号Ｘ１が付された軸）は、光パルス入射からの時間（被測定光ファイバ２０の入射端からの距離、すなわち、被測定光ファイバ２０内の位置）を示している。つまり、図１１の縦軸と符号Ｘ１が付された軸とからなる座標平面が、図１０に示す座標平面に対応している。
【００１６】また、図１２は、図１１に示す３次元グラフを、符号Ｘ１が付された軸上のある距離Ｄ（被測定光ファイバの入射端からの距離）において、符号Ｘ１が付された軸と直交する平面で輪切りにした場合のグラフである。即ち、図１２は、距離Ｄにおけるブリルアン散乱光の周波数分布（スペクトル）を示す波形（スペクトラム波形）である。
【００１７】この処理により、ある距離Ｄにおけるスペクトラム波形（図１２に参照）が得られると、図９に示す曲線近似部３２は、このスペクトラム波形が示すデータを２次式にあてはめ、スペクトラム波形の近似曲線（２次近似曲線）を求める。そして、ピーク周波数検出部３４は、この近似曲線を微分し、ブリルアン散乱光の光強度が最大値を示す光周波数（ピーク周波数νp）を求める。
【００１８】最後に、歪量算出部３６は、ピーク周波数検出部３４が求めたピーク周波数νpを、以下に示す（１）式に代入し、歪み量εを算出する。
ε＝（νp−νb）／（νb×Ｋ） ・・・・・・・・・・・（１）
νb：歪みが内場合におけるピーク周波数（被測定光ファイバ６の固有値）
Ｋ ：歪み係数以上の処理により、被測定光ファイバ２０内のある位置（入射端からの距離Ｄ）における歪み量εが求められ、表示部３８に表示される。以上で、図９の構成による光ファイバ歪み測定装置の動作説明を終了する。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した従来の光ファイバ歪み測定装置においては、被測定光ファイバの歪み量を算出する場合、測定を行う毎に、光周波数νを順次変化させながら、複数（具体的には、４０〜１００種類）の光周波数について、上述したブリルアン散乱光の時間変化波形を測定する必要がある。１つの光周波数に対して１つの時間変化波形の測定には２〜３（秒）の時間を要するので、被測定光ファイバの歪み量を測定する場合には、その４０〜１００倍、すなわち、最大６（分）の時間を必要とする。
【００２０】このように、従来の光ファイバ歪み測定装置は、被測定光ファイバの歪み量の測定に多大な時間がかかるため、測定効率がわるいという問題があった。特に、ファイバセンサとして用いる場合には、測定時間が短いということが需要な要因となる。従って、従来の光ファイバ歪み測定装置はファイバセンサに適していないという問題があった。
【００２１】本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、短期間で効率よく光ファイバの歪み及び歪み量を検出することができ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を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明は、異なるブリルアン周波数シフトを有する２種類の光ファイバをある距離に交互配置した被測定光ファイバと、前記被測定光ファイバの歪みがない状態の特性を初期データとして記憶する初期データ記憶手段と、前記被測定光ファイバに、所定光周波数の光パルスを入射させる入射手段と、前記光パルスを入射した場合に前記被測定光ファイバから出射されるブリルアン散乱光を受光する受光手段と、前記受光手段から出力される信号を演算処理し、前記被測定光ファイバの特性データを得る信号処理手段と、前記信号処理手段が求めた特性データと前記初期データとを比較して、歪みが生じているか否かを判断する判断手段とを具備することを特徴とする。また、本発明は、前記初期データが、前記光パルスを前記被測定光ファイバに入射してから、出射されるブリルアン散乱光の光強度の時間変化を示す初期時間変化波形を含み、前記信号処理手段が、前記入射手段が光パルスを入射させてからのブリルアン散乱光の光強度の時間変化を示す時間変化波形を演算処理によって求める手段を有し、前記初期時間変化波形と前記時間変化波形とを比較して歪みが生じた位置を求める手段を具備することを特徴とする。また、本発明は、前記比較手段が、前記歪みが生じた位置におけるブリルアン散乱光の光強度に基づいて、歪みが伸びによるものか又は縮みによるものかを判断する手段を有することを特徴とする。また、本発明は、予め前記被測定光ファイバに入射させる光パルスの光周波数を変化させて得た測定結果を２次曲線に近似する近似手段と、前記近似手段によって得られた２次曲線の係数及び前記２次曲線が極大となる光周波数を記憶する記憶手段とを具備することを特徴とする。また、本発明は、前記判断手段が、前記２次曲線が極大となる光周波数における光強度と前記特性データの光強度との差からブリルアン散乱光の光強度が極大となる光周波数を算出する手段を有し、前記２次曲線が極大となる光周波数と、当該算出した光周波数とから前記被測定光ファイバの歪み率を算出する歪算出手段を具備することを特徴とする。上記課題を解決するために、本発明は、異なるブリルアン周波数シフトを有する２種類の光ファイバをある距離に交互配置した被測定光ファイバの歪みがない状態の特性を予め測定する過程と、前記被測定光ファイバに、所定光周波数の光パルスを入射させた場合に出射されるブリルアン散乱光の光強度の時間変化に基づいて前記被測定光ファイバの特性データを得る過程と、予め測定した被測定光ファイバの前記特性と、前記特性データとを比較して、歪みが伸びによるものか又は縮みによるものかを判断する過程とを有することを特徴とする。また、本発明は、前記特性データの時間変化と、予め測定した前記被測定光ファイバの経時変化特性とを比較して前記被測定光ファイバの歪みが生じた位置を求める過程を有することを特徴とする。また、本発明は、前記歪みが生じた位置におけるブリルアン散乱光の光強度に基づいて、歪みが伸びによるものか又は縮みによるものかを判断する過程を有することを特徴とする。また、本発明は、予め前記被測定光ファイバに入射させる光パルスの光周波数を変化させて得た測定結果を２次曲線に近似する過程と、前記近似手段によって得られた２次曲線の係数及び前記２次曲線が極大となる光周波数を記憶する過程と、前記２次曲線が極大となる光周波数における光強度と前記特性データの光強度との差からブリルアン散乱光の光強度が極大となる光周波数を算出する過程と、前記２次曲線が極大となる光周波数と、当該算出した光周波数とから前記被測定光ファイバの歪み率を算出する過程とを有することを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による光ファイバ歪み測定装置の構成を示すブロック図であり、図９と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図１に示された本発明の一実施形態による光ファイバ歪み測定装置が、図９に示された従来の光ファイバ歪み測定装置と異なる点は、初期データ記憶部５２、光強度対歪テーブル５４、時間変化波形比較部５６、伸縮判断部５８、及び光強度対歪算出部６０が新たに設けられた点である。また、図９に示された被測定光ファイバ２０と異なる被測定光ファイバ５０が設けられている。尚、被測定光ファイバ５０についての詳細は後述する。
【００２４】初期データ記憶部５２は信号処理部３０、曲線近似部３２、及び歪量算出部３６と接続され、予め測定したデータに基づいて、被測定光ファイバ５０の光強度と光パルス入射からの時間との関係を示すデータ（図１０参照）、光強度と光周波数との関係を示すデータ（図９参照）、及び光強度と光周波数との関係を２次曲線で近似したデータ等の初期データを記憶する。
【００２５】また、光強度対歪テーブル５４は、光強度と被測定光ファイバ５０との対照関係が格納される。つまり、光強度対歪テーブル５４には、被測定光ファイバ５０のある位置において、光強度の値がいくらになれば歪みはいくらであるかを示すデータが格納される。上記初期データ記憶部５２及び光強度対歪テーブル５４は、例えば、不揮発性のＩＣメモリ、ハードディスク装置、又は光磁気ディスク等の大容量記憶装置等で構成される。
【００２６】時間変化波形比較部５６は、信号処理部３０及び初期データ記憶部５２と接続されている。この時間変化波形比較部５６は、信号処理部３０から出力される歪み測定よって得られた時間変化波形と、上記初期データ記憶部５２に記憶された初期データとを比較し、波形を比較して波形の相違を得るためのものである。伸縮判断部５８は時間変化波形比較部５６によって得られた波形の相違から被測定光ファイバ５０が伸びている状態であるのか、又は縮んでいる状態であるのかを得るためのものである。
【００２７】また、光強度対歪算出部６０は伸縮判断部５８の判断結果から光強度対歪テーブル５４に記憶されたデータに基づいて、被測定光ファイバ５０の歪み量を算出する。上記時間変化波形比較部５６、伸縮判断部５８、及び光強度対歪算出部６０は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びＲＯＭ（Read Only Memory）等（何れも図示省略）によって構成され、ＲＯＭに格納されたプログラムに基づいてＣＰＵが処理を行うことによって実現される。
【００２８】また、前述した被測定光ファイバ５０は、一例として、異なるブリルアン周波数シフトを有する光ファイバを交互に配置して構成される。図１に示されたように、被測定光ファイバ５０は複数の光ファイバ５０ａ〜５０ｄ，…が順に接続されて構成される。光ファイバ５０ａ，５０ｃ，…はある特定のブリルアン周波数シフトを有し、光ファイバ５０ｂ，５０ｄ，…は、光ファイバ５０ａ，５０ｃ，…とは異なるブリルアン周波数を有する光ファイバが用いられる。
【００２９】例えば、被測定光ファイバ５０をなす光ファイバ５０ａ〜５０ｄ，…の長さは、入射光のパルス幅（ｎｓ）×（２ｍ／１０ｎｓ）に設定され、異なるブリルアン周波数シフト値は、１／入射光のパルス幅（ｎｓ）である通常の通信用光ファイバで構成される。図２は、被測定光ファイバ５０の構成例を示す模式図である。図２中符号Ｐ1が付された箇所は被測定光ファイバ５０へ光パルスが入射する点であり、符号Ｐ2が付された箇所は光ファイバ５０ａと光ファイバ５０ｂとの接続点である。以下同様に、光ファイバ５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ，…各々の接続点をＰ2，Ｐ3，Ｐ4，Ｐ5，Ｐ6，…とする。
【００３０】図２に示された被測定光ファイバ５０にある光周波数νb1の光を入射した場合には、図３に示した測定結果が得られる。図３は、被測定光ファイバにある光周波数νb1の光を入射したときに得られる光強度と光パルス入射からの時間との関係を示す図である。光ファイバ５０ｂ，５０ｄ，…と、光ファイバ５０ａ，５０ｃ，…とは異なるブリルアン周波数を有するので、各光ファイバの接続点Ｐ2〜Ｐ6，…においては、得られる光強度が不連続となる。
【００３１】次に、被測定光ファイバ５０において生ずるブリルアン散乱光のブリルアン周波数について説明する。図４は、被測定光ファイバ５０において生ずるブリルアン散乱光の周波数特性を示す図である。図４中符号Ｃ１が付された曲線は、光ファイバ５０ａ，５０ｃ，…において生ずるブリルアン散乱光の周波数特性を示しており、符号Ｃ２が付された曲線は、光ファイバ５０ｂ，５０ｄ，…において生ずるブリルアン散乱光の周波数特性を示している。図示されたように、発生するブリルアン散乱光は光周波数領域において広がりを有するともに、曲線Ｃ１及び曲線Ｃ２は中心周波数が異なる。
【００３２】図４に示されるように、曲線Ｃ１及び曲線Ｃ２は光周波数νmにおいて交差する。つまり、光周波数がνmである光パルスを被測定光ファイバ２０へ入射すれば、光ファイバ５０ａ，５０ｃ，…において生ずるブリルアン散乱光の光強度と、光ファイバ５０ｂ，５０ｄ，…において生ずるブリルアン散乱光の光強度とが同一となるため、図３に示されたような接続点Ｐ2〜Ｐ6における光強度の不連続性がなくなる。図５は、光周波数がνmである光パルスを被測定光ファイバ２０へ入射したときに得られる光パルス入射からの時間と光強度との関係の一例を示す図である。
【００３３】次に、伸縮による歪みとブリルアン散乱光の強度との関係について説明する。被測定光ファイバ２０のある局部に伸びによる歪みが加わると、光ファイバ５０ａ，５０ｃ，…から得られるブリルアン散乱光の強度は、光ファイバ５０ｂ，５０ｄ，…から得られるブリルアン散乱光の強度より大きくなる。逆に被測定光ファイバ２０のある局部に縮みによる歪みが加わると、光ファイバ５０ｂ，５０ｄ，…から得られるブリルアン散乱光の強度は光ファイバ５０ａ，５０ｃ，…から得られるブリルアン散乱光の強度より大きくなる。従って、ブリルアン散乱光の強度を、予め測定した強度の値と比較することによって歪みが光ファイバの伸びによるものか又は縮みによるものかが判断できるとともに、その強度の差を算出することによって歪みの程度を得ることができる。
【００３４】次に、本発明の一実施形態による光ファイバ歪み測定装置に適用される光ファイバ歪み測定方法について説明する。図６及び図７は、本発明の一実施形態による光ファイバ歪測定方法を示すフローチャートである。本実施形態による光ファイバ歪み測定方法は、大別すると図６に示された被測定光ファイバ５０に歪みがない状態で測定を行い測定データを得る過程と、図７に示された被測定光ファイバ５０の歪みを測定する過程とに大別される。上記図６に示された測定データを得る過程は一度行えば、省略することができる。
【００３５】まず、図６に示された測定データを得る過程について説明する。ステップＰＳ１においては、図１中の被測定光ファイバ５０へ入射する光パルスの周波数を順次変化させながら測定を行い、図１１に示された３次元グラフを得る処理が行われる。つまり、被測定光ファイバ５０へ入射する光パルスの光周波数を一定にして測定を行い、光パルス入射からの時間と光強度との関係を測定し、順次入射させる光パルスの光周波数を順次変化させながら３次元グラフを得る処理が行われる。この測定結果は、初期データとして図１中の初期データ記憶部５２に記憶される。
【００３６】測定が終了するとステップＳＰ２へ進む。ステップＳＰ２では、ステップＳＰ１において得られた測定結果から光ファイバの所定の位置における光強度と光周波数との関係を求め（図１２参照）、求めた結果から２次近似式を求める処理が行われる。つまり、ステップＳＰ１において得た初期データに基づいて、まず、光強度（ｙ）対周波数シフト（ｘ）との関係を２次近似式から求め（ｙ＝ａｘ＾２＋ｂｘ＋ｃ）、光強度対歪テーブル５４に格納する。
【００３７】光強度対歪テーブル５４に格納されている値は、２次近似式の係数ａ，ｂ，ｃである。従って、係数ａ，ｂ，ｃを有する式（ｙ＝ａｘ＾２＋ｂｘ＋ｃ）を微分すれば、被測定光ファイバ５０に歪みが無い状態のブリルアン散乱光の強度が極大となる光周波数を以下の（２）式から得ることができる。
ｘ＝−ｂ／２ａ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
【００３８】この光周波数ｘも光強度対歪テーブル５４に格納される。また、歪みが無い状態の歪み量εは０％と設定される。上記測定によって、被測定光ファイバ５０内の光ファイバ５０ａ，５０ｃ，…と光ファイバ５０ｂ，５０ｄ，…とのブリルアン散乱光のブリルアン周波数は異なり、図４に示されたような結果が得られるので、２次近似式を求める場合には各々の曲線について行う。
【００３９】上記処理が終了するとステップＳＰ３へ進む。ステップＳＰ３では、ステップＳＰ２において得られた２つの曲線の交点、つまり図４中に示した交点Ｃにおける光周波数νmを求める処理が行われる。この処理は２つの二次曲線の交点を求める処理であるので、演算により容易に求めることができる。以上の処理が終了すると、光周波数νmによる時間変化波形の測定データを初期データとして初期データ記憶部５２に格納する（ステップＳＰ４）。
【００４０】次に、被測定光ファイバ５０の歪みを測定する過程について図７を参照して詳細に説明する。測定が開始されると、光ファイバ歪み測定装置は、光周波数νmの光パルスを入射した場合におけるブリルアン散乱光の時間変化波形を測定する（ステップＳ１）。本実施形態では、一例として、歪みがない場合における時間変化波形（初期データ）として、図１０（ａ）に示す波形が得られ、歪みが生じている場合における時間変化波形として、図１０（ｂ）に示す波形が得られたものとする。つまり、歪みが生じた箇所は、光パルスを被測定光ファイバ５０へ入射してから時間ｔDが経過したときに、光パルスが位置する箇所である。
【００４１】以下の説明では、歪みが生じた位置をＤx，Ｄx′とする。図１０（ｂ）に示す時間変化波形では、被測定光ファイバ５０内の距離ＤxとＤx′において光強度が変化している。上記測定が終了すると、図１中の時間変化波形比較部は、初期データ記憶部５２に格納されている図１０（ａ）に示す時間変化波形データと、ステップＳ１において測定した図１０（ｂ）に示す時間変化波形データとを比較して波形の相違を得る（ステップＳ２）。
【００４２】ステップＳ２の処理が終了するとステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、時間変化波形比較部５６の比較結果から被測定光ファイバ５８が伸びているか、又は縮んでいるかを判断する。ここで、歪みが生じていると判断されると、波形の相違位置であって、光強度が低下している位置を検出ポイントＤxとし、検出するポイントＤxに隣接し、光強度が高くなっている位置を検出ポイントＤx′とする。また、検出ポイントＤxにおけるブリルアン散乱光の光強度をＬ1とし、検出ポイントＤx′におけるブリルアン散乱光の光強度をＬ2とする。以上の処理によって、被測定光ファイバ５０内において歪みが生じた箇所を特定することができる。
【００４３】上記処理が終了すると、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では図６に示された処理によって予め求めた２次近似式から検出ポイントＤxのブリルアン周波数シフトを求める処理が行われる。この処理は図１中の光強度対歪算出部６０が行う。光強度対歪算出部６０は、まず光強度対歪テーブル５４から図６中のステップＳＰ２において求めた係数ａ，ｂ，ｃ、及び歪みが無い状態における光強度が最大となる光周波数ｘを読み出す。
【００４４】前述した検出ポイントＤx，Ｄx′における光強度Ｌ1，Ｌ2は測定により求められる。いま、ブリルアン周波数シフト値をｘ′とすると、ブリルアン周波数シフト値ｘ′は以下の（３）式から算出される。
ｘ′＝（−ｂ±（（ｂ＾２−４ａ（ｃ−Ｌ1）））＾０．５）／２ａ・・（３）
【００４５】次に、ブリルアン周波数シフトについて説明する。図８はブリルアン周波数シフトを説明するための説明図である。被測定光ファイバ５０に歪みが生じていない場合には図８（ａ）に示されたような光強度と光周波数との関係が得られる。これらのデータは、図６中に示された処理によって初期データとして初期データ記憶部５２に記憶されている。
【００４６】いま、被測定光ファイバ５０の歪みを測定するために用いた光パルスの光周波数はνmであるので、仮に被測定光ファイバ５０に歪みがないとすると、図５に示したように、接続点Ｐ2〜Ｐ6，…で不連続とならない時間変化波形が得られる。また、光ファイバ５０ａ，５０ｃ，…及び光ファイバ５０ｂ，５０ｄ，…において発生するブリルアン散乱光の周波数分布はほぼ同一となる。
【００４７】いま、被測定光ファイバ５０に歪みが生じたとすると、光ファイバ５０ａ，５０ｃ，…及び光ファイバ５０ｂ，５０ｄ，…において生ずるブリルアン散乱光の周波数がシフトする。その様子を図８（ｂ），（ｃ）に示す。図８（ｂ），（ｃ）中符号Ｃ１，Ｃ２が付された曲線は図８（ａ）中の符号Ｃ１，Ｃ２が付された曲線をそれぞれ示す。
【００４８】図８（ｂ）中符号ＡＣ１が付された曲線及び図８（ｃ）中符号ＢＣ１が付された曲線は、光ファイバ５０ａ，５０ｃ，…に歪みがある場合に、入射させる光パルスの周波数を変化させた場合に得られるブリルアン散乱光である。また、符号ＡＣ２が付された曲線及び図８（ｃ）中符号ＢＣ２が付された曲線は、光ファイバ５０ｂ，５０ｄ，…に歪みがある場合に、入射させる光パルスの周波数を変化させた場合に得られるブリルアン散乱光である。
【００４９】つまり、図８（ｂ），（ｃ）に示されたように、被測定光ファイバ５０に歪みが生ずると、周波数νmの光パルスを入射させたとしても、光ファイバ５０ａ，５０ｃ，…から出射されるブリルアン散乱光及び光ファイバ５０ｂ，５０ｄ，…から出射されるブリルアン散乱光の光強度が変化する。本実施形態においては、この光強度の変化を利用して歪みを測定している。
【００５０】上記処理が終了すると処理はステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、歪みが伸びによるものか又は縮みによるものかを判断する処理が行われる。この処理では、前述した検出ポイントＤxにおけるブリルアン散乱光の光強度Ｌ1と、検出ポイントＤx′におけるブリルアン散乱光の光強度Ｌ2とを比較することにより歪みが伸びによるものか、縮みによるものかを判定することができる。
【００５１】図８（ｂ）は、歪みが伸びの場合のブリルアン散乱光の周波数分布を示しており、この場合、図示されたように、Ｌ1＞Ｌ2となる。つまり、Ｄxにおけるブリルアン散乱光の光強度Ｌ1が、検出ポイントＤx′におけるブリルアン散乱光の光強度Ｌ2よりも大きい場合には、歪みが伸びによるものであることが分かる。
【００５２】また、図８（ｃ）は、歪みが縮みの場合のブリルアン散乱光の周波数分布を示しており、この場合、図示されたように、Ｌ1＜Ｌ2となる。つまり、Ｄxにおけるブリルアン散乱光の光強度Ｌ1が、検出ポイントＤx′におけるブリルアン散乱光の光強度Ｌ2よりも小さい場合には、歪みが縮みによるものであることが分かる。
【００５３】次に、どの程度歪んでいるかを求める処理が行われる。まず、歪みが伸びである場合には、以下の（４）式に示されるブリルアン周波数シフト量が用いられる。
ｘ′＝（−ｂ＋（（ｂ＾２−４ａ（ｃ−Ｌ1）））＾０．５）／２ａ・・（４）
また、歪みが縮みである場合には、以下の（５）式に示されるブリルアン周波数シフト量が用いられる。
ｘ′＝（−ｂ−（（ｂ＾２−４ａ（ｃ−Ｌ1）））＾０．５）／２ａ・・（５）
【００５４】上記処理が終了すると、光強度対歪算出部６０は、ステップＳ４によって求められたブリルアン周波数シフト（ｘ′）を前述した（１）式に代入し、歪み量εを算出する。以上の動作により、各ポイントにおける歪み量εが求められ、表示部３８に表示される。例えば、歪みが無い状態において、出射されるブリルアン散乱光の光周波数が１０．９ＧＨｚであり、光強度が４０ｄＢであるとする。いま、歪みが生じたとし、ブリルアン散乱光の光周波数が１０．６ＧＨｚに変化し、光強度が３７ｄＢに変化したとすると、歪み量εは０．６０８５％であることが分かる。
【００５５】従来は、歪み量測定に約６分も時間を費やしていたが、本発明を用いれば、２〜３秒程度で測定することができる。また、従来では測定できなかった動的歪み量の評価を行えることができる。動的歪み量の評価とは、例えば光ファイバに対して故意に歪みを生じさせ歪みの変化に応じた光ファイバの特性を測定・評価することである。従って、本発明を適用すると歪みセンサとしての利用範囲は大きく拡大することになる。
【００５６】以上、本発明の実施形態について説明したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。
【００５７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、異なるブリルアン周波数シフトを有する２種類の光ファイバをある距離に交互配置した被測定光ファイバと、被測定光ファイバの歪みがない状態の特性を初期データとして記憶する初期データ記憶手段と、被測定光ファイバに、所定光周波数の光パルスを入射させる入射手段と、光パルスを入射した場合に被測定光ファイバから出射されるブリルアン散乱光を受光する受光手段と、受光手段から出力される信号を演算処理し、被測定光ファイバの特性データを得る信号処理手段と、信号処理手段が求めた特性データと初期データとを比較して、歪みが生じているか否かを判断する判断手段とを備えたので、被測定光ファイバを布設した場合に被測定光ファイバに歪みが生じているか否かを短時間で容易に判断することができるという効果がある。また歪み量も短時間で効率よく測定することができ、測定時間が要求されている光ファイバセンサへの応用が可能となるという効果がある。
【出願人】 【識別番号】０００１１７７４４
【氏名又は名称】安藤電気株式会社
【出願日】 平成９年（１９９７）６月２７日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武 （外２名）
【公開番号】 特開平１１−２３４１５
【公開日】 平成１１年（１９９９）１月２９日
【出願番号】 特願平９−１７２５０４