WO2007037366A1

WO2007037366A1 - センサ及びそれを用いた外乱測定方法

Info

Publication number: WO2007037366A1
Application number: PCT/JP2006/319451
Authority: WO
Inventors: Yoshinori Yamamoto; Itaru Sakabe; Eisuke Sasaoka; Hisashi Tanji
Original assignee: Sumitomo Electric Industries, Ltd.
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2007-04-05
Also published as: EP1939596A4; KR20080053506A; JPWO2007037366A1; CN101278177A; JP4985405B2; CN101278177B; US7543982B2; EP1939596A1; US20080084914A1; TW200722712A

Abstract

　この発明は、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、被測定物に生じる温度変化、歪みを個別かつ正確に判別するための構造を備えたセンサ等に関する。当該センサは、レーザ光源と、レーザ光源からのレーザ光が伝搬する複数の導波路を含むセンサ部と、検出部と、そして、解析部を備える。検出部は、センサ部から得られる複数のブリルアンスペクトルを検出する。解析部は、検出されたブリルアンスペクトルそれぞれ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、外乱に対するブリルアンスペクトルの変化を複数の導波路間で異ならせるための構造を有する。このように複数の導波路間で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で、低温領域を含む広い温度範囲での温度測定のみならず歪みと温度の切り分けが正確に行われる。

Description

明細書

センサ及びそれを用いた外乱測定方法

技術分野

[0001] 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、該導波路力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。

背景技術

[0002] 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ァ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ノにカ卩えられる外乱として測定することができる。

[0003] 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、該光ファイノ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ぺ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、光ファィ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。

[0004] 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。

[0005] 一方、非特許文献 2には、 60Κ〜90Κ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 V、う）は温度に対して線形に変化することが記載されて、る。

[0006] 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、外部力の電磁的な干渉を受けやすいという問題があつた。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一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力外力に起因して光ファイバケ一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、て!/ヽる。

[0007] 光ファイバケーブル力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。

[0008] 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ィ匕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プルは、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、熱収縮に強ぐ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、 BOTD Aなどを用いて測定することを想定している。 BO TDAは後方散乱光を利用した測定方法で、距離分解能は約 lm程度である。

[0009] 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 lm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。 BOT DA、 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カゝらポンプ光を入射する両端入射が必要となる。

[0010] 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力ブラ 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ユレータ 1 05、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 11 1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の一端力もプローブ光を入射し、該光ファイバ 111の他端力ポンプ光を入射する両端入射が必要となる。

[0011] 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、特定の位置湘関ピーク)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。

[0012] 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)。

特許文献 1：特開 2001-12970号公報

特干文献 1： Marc Nikles, et al., Brillouin gain spectrum characterization in Singl e-Mode optical fibers", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 15, N 0. 10, 1997年 10月

非特許文献 2 : L.Thevenaz, et al., "Brillouin gain spectrum characterization in optic al fibers from 1 to 1000K", Technical Digest, 16th International Conference on Opti cal Fiber Sensors, October 13—17 (2003), Tu2— 2, p.38— 41

非特許文献 3 :保立和夫、新井寛、「ポンプ'プローブ時分割発生方式 BOCDA光フア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)

非特干文献 4： Kellie Brown, et al., Charatenzation of optical fiber for optimization of Brillouin scattering based fiber optic sensor", Optical Fiber Technology 11(2005), p.131-145

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0013] 発明者らは、上述のような従来技術にっ、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 200Κ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。

[0014] 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。し力しながら、このスペクトル線幅は測定誤差が大きぐ該スペクトル線幅を用いた温度解析は精度が低、。

[0015] 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、光ファイバの一端カもプローブ光を入射し、該光ファイバの他端カゝ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、測定範囲も狭ぐ布設費用が力さんでしまう。

[0016] 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つて異なるが、通常、約 1000〜3000 /ζ εのオーダーで歪み量が測定されることが多ぐ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 50〜180ΜΗζ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力一般的に約 20〜50°Cの温度範囲において行われることが多ぐ該ピーク周波数は温度によって約 30〜： L 10M Hz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力つた。 [0017] 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!ヽる。

課題を解決するための手段

[0018] 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プ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。

[0019] 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力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力なる領域を示す。検出部は、レーザ光の入力に応じて第 1及び第 2導波路力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!/、ずれかの測定値を決定する。

[0020] 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ァ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- タすることが可能になる。

[0021] 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。

[0022] センサ部は、第 1及び第 2光ファイバを含んでもよぐ第 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。

[0023] 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ぐ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。

[0024] 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ァ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ょ、。

[0025] 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。

[0026] 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。

[0027] 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ょヽ (複数の導波路間でプリルアンスペクトルの変化を異ならせる他の構造)。

[0028] 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 ¾ ヽ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!、。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、金属又は榭脂製のチューブ及び内部に榭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ょヽ。

[0029] 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。

[0030] 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べタ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カ卩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!/、ずれかに相当する物理量を求める。

[0031] 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導波路力それぞれ出力されるブリルアンスペクトル力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ベクトルを特徴付けるパラメータの変動に基づ、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。

[0032] 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。

[0033] 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力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。

発明の効果

[0034] 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、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。

図面の簡単な説明 [図 1]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。

[図 2]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。

[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の基本構造を示す断面図である。

[図 4]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。

[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。

[図 6]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）に含まれる光ファィ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。

[図 7]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。

[図 8]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。

[図 9]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。

[図 10]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)。

[図 11]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)。

[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 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（その 3)。

[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。

[図 15]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)。 [図 16]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 Z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。

P

[図 17]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。

[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）に適用される光フアイバの、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。

[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 (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

[0036] 10、 10A〜： LOK、 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、 12Α、 12Β···光ファイノく、 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、 6 2、 102···力プラ、 63、 103···アイソレータ、 64、 104···光アンプ、 65、 105···サーキユレータ、 32、 33、 72A、 72B、 82A、 82B、 92A、 92Β···抗張力線、 73、 83、 93··· 切り込み、 84···榭脂チューブ、 85···金属チューブ、 86…介在物、 94···断熱部材。発明を実施するための最良の形態

[0037] 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。

[0038] 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 1 21が光導波路として機能する。

[0039] 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。

[0040] 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。

[数 1]

[0041] この式（1)は、ある周波数 Vにおけるブリルアンスペクトルの強度を示す。 g、 V 、

0 B 及び Δ V 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、ブリルァ

B

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、及びスぺクトルの線幅である。

[0042] 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それぞれ力も得られるブリルアンスぺクトルについて、そのピーク周波数 V の温度特性を示すグラフである。この図 4におい

B

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 V (T)を示す。横軸の温度範囲は、 60K〜90Kを含

Β

む 200Κ以下の低温領域である。グラフにおいて、曲線 L は光ファイバ 12Aのブリル

A

アンスペクトルのピーク周波数 V (T)を示し、曲線 L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 v (T)を示す。

B

[0043] 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 V (T)は、 6

B

0〜90K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 V (

Β

Τ)は、 60〜90Κ付近において温度 Τに対する変化率が小さぐ低温領域における 6 0〜90Κ付近以外の領域にお、て、該ピーク周波数 V (Τ)は温度 Τに対する変化

Β

率がより大きい。

[0044] 曲線 Lは、極値温度 Τにおいて点 Xで示されたす極値を持つ。また、曲線 Lは、

A A B

極値温度 Tにおいて点 Υで示された極値を持つ。例えば、光ファイバケーブル 10が

Β

極値温度 Τ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

Β

と、光ファイバ 12Aからは、点 Ζ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 Υ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。

[0045] 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 V (Τ)

Β

の温度依存性にぉ、て極値となる温度が互、に異なる光ファイバ 12Α、 12Β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。

[0046] 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 V (

Β

Τ)の温度依存性にお!ヽ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におけるド一パントの添加濃度が 0であり、極値温度 Τは 60Κ程度である。光ファイバ 12Bは、

A

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 Tは 90K程度

B

である。

[0047] (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 1 0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 Doma in 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。

[0048] 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。

[0049] 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、光フアイバケーブル 10は、蛇行させた状態で被測定物 5の表面に設置されて、る。

[0050] 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、当該光フアイバケーブル 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。

[0051] 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、光フアイバ 12Bに対応する第 2検出結果とを出力する。つこで、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ボ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。

[0052] 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。

[0053] 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ぺ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。

[0054] 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のブリルアンスぺ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ダラフにおいて、周波数シフト V が極小値である場合、 1つの周波数シフト V 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、 T1 よ

H

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 V 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 1が格納部 17によって格納される。

[0055] 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 V については、 2つの

2

温度 Tl 、T1 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

L Η

シフト V 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 tl 、 tl が格納部 1

2 L H

7によって格納される。同様に、光ファイバ 12Bに関しても、 1つのブリルアンスぺ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つのブリルアンスぺ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つのブリルアンスベ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 t2 、し t2 が格納される。

H

[0056] 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。

[0057] 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 tl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 tl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 tlと光フアイノ 12Bについての 2つの温度情報 t2 、t2 とが出力されると、温度情報 tlが示す温

L H

度 T1と、温度情報 t2 、t2のうち温度 tlにより近い温度との平均値を光ファイバケー

L H

ブル 10の温度として決定する。

[0058] 決定部 19は、光ファイバ 12Aについての 2つの温度情報 tl 、 tl と光ファイバ 12B

L H

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 1 2Aについての 2つの温度情報 tl 、tl と光ファイバ 12Bについての 2つの温度情報

L H

t2、t2 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

L H

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、決定された光フアイバ測定ケーブル 10の温度に基づいて被測定物 5の温度を解析する。

[0059] 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。

[0060] 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。

[0061] 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それぞれ力も得られるブリルアンスペクトル力検出部 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それぞれのブリルァ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。

[0062] 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、光ファィバケーブル 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。

[0063] 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、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力検出部 16によって検出される。そして、検出されたブリルァ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。

[0064] 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、その光ファイノから得られる周波数シフトのみ力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、光ファィバ 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、て温度解祈が行われるので、 200K以下の低温領域を含む温度範囲におヽても正確な温度解析が可能である。

[0065] 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、該一方の光ファイノ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、他方の光ファイノから得られる、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。

[0066] (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力ブリルアンスペクトルのスベ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。

[0067] 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。

[0068] 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。

[0069] 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、て光ファイバ 12Aと光ファイバ 12Bそれぞれ力得られるブリルアンスぺ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 tl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。

[0070] 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 tl、 t2を抽出する。そして、抽出部 18は、抽出された温度情報 tl、 t2を決定部 19へ出力する。

[0071] 決定部 19は、出力された温度情報 tl、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 tl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 tlが示す温度 Tl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プル 10の温度に基づいて被測定物 5の温度を解析する。

[0072] 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ぺ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。

[0073] また、温度測定範囲が低温領域より広!、場合、又は、ブリルアンスペクトルのスぺクトル線幅が温度に対して線形に変化しな、温度領域を含む場合であっても、スぺタ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、ブリルアンスべタ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。

[0074] 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、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。

[0075] 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 実施例にぉ、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、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ベクトル線幅に基づ、て決定された光ファイバケーブル 10の温度との平均値力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アイノ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、スぺ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。

[0076] (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ぺ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。

[0077] 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ぺクトルを有する。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、 12 Bも歪む。

[0078] 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 1 5はポンプ光を出力し、このポンプ光力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、光フアイノ 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。

[0079] 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それぞれカも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それぞれ力得られたブリルアンスぺ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。

[0080] 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。

[0081] 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。

[0082] 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べタトルの周波数シフトを意味する。

[0083] 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。

[0084] 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。

[0085] 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シフト検出結果力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。 [0086] 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 力も抽出する。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。

[0087] 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!/、て、被測定物 5の歪量を解析する。

[0088] 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 V、て被測定物 5の温度及び歪を測定する。

[0089] 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。

[0090] 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 1 2A、 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、 12 Bそれぞれから得られるブリルアンスペクトル力検出部 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。

[0091] 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 1 7により格納された温度情報力抽出部 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。

[0092] 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 シフト検出結果力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。

[0093] 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ぺタ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、プ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）力も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、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。

[0094] 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ぐ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 (te nsion 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 3 1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。

[0095] 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、 1 2B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、押さえ卷 35が巻かれ、該押さえ卷 35の周囲にケーブル外被 36が配置されている。

[0096] 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。

[0097] 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プルであって、チューブ 41に光ファイバ 12A及び光ファイバ 12Bが揷通されている。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との間には押さえ卷 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がなくてちょい。

[0098] 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、紫外線硬化型榭脂又はプラスチック榭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。

[0099] 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、光フアイバケーブル 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。光ファィバケーブル 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つ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。

[0100] 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力 BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analys is)装置を用いた BOTD A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。

[0101] 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力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。この光フアイバケーブル 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、ブリルアンスぺクトルの形状の温度依存性が互、に異なる。

[0102] 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。

[0103] 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、 5 2B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。したがつて、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。

[0104] (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力ブラ 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ユレータ 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プル 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 (これら光ファィバ 12A、 12Bのコア領域が導波路に相当して、る）を含む。

[0105] 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力センサ部としては、 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、光フアイバケーブル 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アイバであっても、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 1 2A、 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、ブ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

[0106] 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 (LD 15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。

[0107] 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 Z温度解析が可能になる。

[0108] 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 1 OF、 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 Z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。

[0109] 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、 12 B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—体的に被覆するケープル外被 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力 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。

[0110] 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 12 A及び抗張力線 72Aを一体的に被覆するケーブル外被 71 Aで構成された左側光フアイバケーブルと、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。

[0111] 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つの光ファイバケ一ブルが 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力別々に形成された 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ょ、。

[0112] 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、ブリルァ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プル 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 1S 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 Z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

[0113] 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榭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 7 1A、 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、光ファィバケーブル 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、ケ一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

[0114] 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 Z温度測定方法の一例にっ、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 V 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

Β

ように表される。 [数 2] v _B= v _BO +歪み係数 t X f +温度係数 κ X T ·■■ (2)

[0115] ここで、歪み係数 _t、温度係数 κは光ファイバ固有の係数であって、歪み係数 _tは約 0. 05〜0. 06ΜΗζ/ μ εの大きさ、温度係数 κは約 1. 5〜2. 2MHzZ°Cの大きさを有する。

[0116] 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 1000〜3000/ζ εのオーダーの歪みを測定することが多ぐブリルアンスぺクトルの周波数シフトは歪みによって約 50〜180ΜΗζ変化する。一方、温度は使用環境によって大きく異なる力通常、約 20〜50°Cの温度範囲を測定することが多ぐ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〜： LlOMHz変化する。

[0117] 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、 12 B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 V 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)

B

)から測定したい歪み εと温度 Τを決定することを可能にした。

[数 3]

V _{Β 1} = V _{Β 10} +歪み係数 t X f +温度係数 f i XT ■·· ( 3) 画 v _{B 2}= v _{B 20} +歪み係数 t ₂ X f +温度係数 κ ₂ XT ··· ( 4 ) [0118] ここで、 ν ν はそれぞれ光ファイバ 12Α、 12Bで実際に測定されたブリルアン

Bl、 Β2

スペクトルの周波数シフトであり、歪み係数 ί 、温度係数 Κ 、歪み係数 _t 、温度係

1 1 2 数はそれぞれ光ファイバ 12A、 12Bの固有係数である。

2

[0119] 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アイバケーブル 10の Z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

P

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、光ファィバケーブル 10の始端を Z、終端を Z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 v 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

B

)に示されたように、歪みが印加された Z点において、光ファイバ 12Aでは V — V

p Bl B

、光ファイバ 12Bでは V — V だけブリルアンスペクトルの周波数シフト V が変 lo B2 B2o B 化していることが分かる。上記シフト量 V — V 、 V — V は異なる値であって、

Bl Bio B2 B2o

上記式（3)、式 (4)に当てはめることにより、歪み εと温度 Τが算出される。

[0120] 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 Αとファイバ Cの組み合わせのように、ひずみ係数 _t 、 I 、温度係数 κ 、 κ とが大きく異なっている方がブ

1 2 1 2

リルアンスペクトルの周波数シフト V — V と V — V とが大きく異なるため、よ

Bl Bio B2 B2o

り精度よく歪みと温度を測定することができる。

[0121] 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ィ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ぐ光ファイバケープ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 Z温度解析が可能になる。

[0122] 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ぐ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。

[0123] 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 Z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。

[0124] 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ア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 Z熱の伝わり方が異なる種々の構造を示す断面図である。

[0125] 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、これら一方の光フアイバ 12及び抗張力線 82Aを一体的に被覆するケーブル外被 81 A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）、該他方の光ファィバ 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ア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榭脂チューブ 84内にルース状態で配置されている。

[0126] 図 17の領域（b)に示された光ファイバケーブル 101は、一方の光ファイバ 12、該ー方の光ファイバ 12を被覆するケーブル外被 81 Aで構成される左側光ファイバケープルと、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を被覆するケ一ブル外被 81Bで構成される右側光ファイバケーブルとからなる。この光ファイバケ一ブル 101では、同種の光ファイバ 12が 2本用意され、他方（図中、右側）の光フアイノ 12が金属チューブ 85内に配置されている。

[0127] 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 1 2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、一方の光ファィバ 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 81 A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、該他方の光フアイバ 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力切り込み 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。

[0128] 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ィ匕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ィ匕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力光フア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。

[0129] 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周辺のケ一ブル構造 Z材質が異なるため、温度変動の激し、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。し力しながら、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。

[0130] 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、ケープルと略一体ィ匕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力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力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。

[0131] なお、光ファイバケーブル 10H〜10Jが他方の光ファイバ 12の余長分以上に引つ張られると、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ィバケーブルの約 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をー且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！/、。

[0132] 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、ブリルアンスベクトルのピーク周波数の温度依存性が最も小さ、光ファイバであるのが好ま、。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）に適用される光フアイバの、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（MHzZK)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 Δ ν Β(= Δη+ 1/2 ΔΕ- 1/2 Δ は、ャング率 Ε、密度 ρの温度変化に依存する。なお、 Δηは 10_⁵程度であり、 ΔΕは 10_⁴ 程度、 Δ 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 Δ nの異なる光フア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アイバ (純シリカに対するコア領域の比屈折率差 Δ nが最も大き、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。

[0133] 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 91 A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、該他方の光フアイバ 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ィ匕されている。この光ファイバケーブル 1 0K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、断熱部材 94で覆われて、る。

[0134] 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力 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、るため、温度変動の激、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。

[0135] 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が略一体ィ匕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。

[0136] 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ょ、。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。

[0137] 以上のように、この発明によれば、被測定物力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一ブルを使用することができる。

[0138] 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力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。産業上の利用可能性

[0139] 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 Z 検知システムへの適用が可能である。

Claims

請求の範囲

[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力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プ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たセンサ。

[2] 請求項 1記載のセンサにおいて、

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。

[3] 請求項 1又は 2記載のセンサにおいて、

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ァ領域と、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。

[4] 請求項 1又は 2記載のセンサにおいて、

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。

[5] 請求項 2記載のセンサにおいて、

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

[6] 請求項 5記載のセンサにおいて、

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。

[7] 請求項 2記載のセンサにおいて、

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。

[8] 請求項 3記載のセンサにおいて、

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。

[9] 請求項 2記載のセンサにおいて、

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つて、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。

[10] 請求項 9記載のセンサにおいて、

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。

[11] 請求項 1記載のセンサにおいて、

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つて、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。

[12] 請求項 11記載のセンサにおいて、

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。

[13] 請求項 12記載のセンサにおいて、

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榭脂が充填されたチューブのいずれかを含む。

[14] 請求項 11記載のセンサにおいて、

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。

[15] 請求項 3記載のセンサにおいて、

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る。

[16] 請求項 1記載のセンサにおいて、

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カ卩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。

[17] 請求項 1記載のセンサにおいて、

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カ卩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。

[18] 請求項 1〜17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プ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。 [19] 請求項 18記載の測定方法において、

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。