应变变化测量装置和应变变化测量方法与流程

1.本发明涉及对分支的光纤的应变变化进行测量的装置和方法。


背景技术：

2.作为测量由沿着光纤的长边方向的振动等引起的光纤应变的方法，具有otdr(optical time domain reflectometry，光时域反射测定法)方式、ofdr(optical frequency domain reflectometry，光频域反射测定法)方式(例如参照非专利文献1)。在otdr方式的情况下，从入射端向被测定光纤入射脉冲测试光，测定从各地点被后向散射的瑞利散射光的相位，能够根据相位变化而分布性地定量测定施加于光纤的应变(例如参照非专利文献2)。在otdr方式中，在某一时刻将入射脉冲入射到被测定光纤且散射光返回到入射端之后，能够立即将下一个入射脉冲入射到被测定光纤并进行其他时刻的测定，因此能够以高采样率进行应变的测定。
3.在ofdr方式的情况下，在将进行了频率扫描的连续光从入射端入射到被测定光纤并取得被后向散射的瑞利散射光的复振幅的基础上，基于短时间傅里叶变换而取得各地点的瑞利散射光功率谱，能够根据光谱的偏移量分布性地定量测定施加于光纤的应变(例如参照非专利文献3、4)。
4.此外，还提出了通过频率扫描otdr方式进行准静态应变或低频振动的测定的方法(例如参照非专利文献5、6)。在该方法中，一边扫描光频率一边向被测定光纤入射脉冲光，并测定瑞利散射后的散射光的强度。为了达到目标振动检测的灵敏度等，通过以充分的精细度对充足的光频率范围进行扫描来测定瑞利散射光功率谱，与ofdr方式的情况相同，根据光谱偏移对应变等信息进行分布性定量测定。
5.但是，otdr方式、ofdr方式、频率扫描otdr方式都与具体的实现方法无关，以被测定光纤没有被光耦合器分支为条件。在被测定光纤由光耦合器分支的情况下，如果依旧使用otdr方式、ofdr方式、频率扫描otdr方式，则由于从分支下部的各光纤散射的散射光彼此重叠，所以不能测定分支下部的各光纤的应变。
6.另一方面，在专利文献1中提出了使振动分布测定成为可能的方法。在专利文献1中，虽然主要着眼于测定分支下部的光损耗变动，但是通过直接利用专利文献1的提案方法，也能够测定由振动等引起的应变变化。
7.在专利文献1中提出的方法中，使用在各分支的光纤的前端存在对测试光的波长的光进行反射的反射元件的结构，并利用如下方式：在即使没有反射元件也能够检测到的通常的散射光的信号(以下称为通常信号)上，加上在测试光被反射元件反射后伴随着被反射的向入射端方向返回的测试光的传播而产生的向反射元件的方向传播的后向散射光进一步被反射元件反射而向入射端方向传播从而被检测出的信号(以下称为重影信号)，被检测为总的信号(以下称为总信号)。将分支光纤的分支数设为整数n，在对各分支光纤标注了从#1到#n的编号时，如果将从分支光纤#n的入射端到反射元件的距离设为l#n，则在距分支光纤#n的入射端为距离z的位置被散射的重影信号在外观上能够视为在距入射端为距离
2l#n-z的位置被散射的通常信号。因此，如果对总信号的各地点的散射光功率谱以与求出仅有通常信号时的各地点的散射光功率谱的方法相同的方法进行计算，则在测试光的传播中光纤上未施加有振动等从而散射体的间隔等的状态未发生变化的情况下，计算出的距入射端为距离z的位置处的散射光功率谱与计算出的距入射端的外观上的距离2l#n-z的位置处的散射光功率谱相同。特别是在从各分支光纤的入射端到反射元件的距离l#n相互不同的情况下，由于外观上的距离2l#n-z也不同，所以如果以使在监测时刻测量出的距入射端的外观上的距离2l#n-z的位置处的散射光功率谱在频率轴方向上偏移的波形相对于在参照时刻测量出的距离z的位置处的散射光功率谱的相互相关的值成为最大的方式来计算偏移量，则能够根据该所述偏移量下的相互相关值来测量光损耗变动，此外由于所述偏移量与温度和应变状态的变化成比例，所以也能够定量地测定相对于监测时刻的温度和应变状态的参照时刻的变化。因此，也能够进行作为动态的应变变化的振动测定。
8.现有技术文献
9.专利文献1：日本专利公开公报特开2016-142618大野慎悟、冈本达也、户毛邦弘、真锅哲也、“具有分支的长距离光纤的测试方法和装置”10.非专利文献1：ali.masoudi,t.p.newson,“contributed review：dist ributed optical fibre dynamic strain sensing,”review of scientific instr uments 87,011501(2016)
11.非专利文献2：z.pan,k.liang,q.ye,h.cai,r.qu,and z.fang,“phase-sensitive otdr system based on digital coherent detection,in optical sensors and biophotonics,j.popp,d.matthews,j.tian,and c.yang,eds.,vol.8311of proceedings of spie(optical society of america,2011),paper83110s.
12.非专利文献3：da-peng zhou,zengguang qin,wenhai li,liang che n,and xiaoyi bao,“distributed vibration sensing with time-resolved opt ical frequency-domain reflectometry,”opt.express 20,13138-13145(2012)
13.非专利文献4：da-peng zhou,liang chen,and xiaoyi bao,“distrib uted dynamic strain measurement using optical frequency-domain reflec tometry,”appl.opt.55,6735-6739(2016)
14.非专利文献5：yahei koyamada,mutsumi imahama,kenya kubota,a nd kazuo hogari,“fiber-optic distributed strain and temperature sens ing with very high measurand resolution over long range using c oherentotdr,”j.lightwave technol.27,1142-1146(2009)
15.非专利文献6：sascha liehr,sven munzenberger,and katerina kreb ber,“wavelength-scanning coherentotdr for dynamic high strain resol ution sensing,”opt.express 26,10573-10588(2018)
16.非专利文献7：lihi shiloh and avishay eyal,“distributed acousti c and vibration sensing via optical fractional fourier transform reflecto metry,”opt.express 23,4296-4306(2015)
17.在专利文献1的方法中，为了测定瑞利散射光功率谱，作为基础技术而使用ofdr方式或频率扫描otdr方式。但是，在ofdr方式的应变测定中，如非专利文献7所记载的那样，难
以高速地进行所希望的频率扫描。
18.此外，为了在ofdr中确保优异的空间分辨率，与从进行了频率扫描的测试光入射的瞬间开始、到测试光传播并伴随着传播而在包括所述外观上的地点在内的距入射端最远的位置上产生的散射光到达入射端为止的所需时间相比，花费足够长的时间来测定散射光与参照光的差拍信号，在此基础上入射下一个频率扫描光并以相同的时间进行测定，由于需要反复进行上述操作来对振动进行采样，所以应变测量时的采样率受到限制，一般难以实现千赫兹数量级以上的采样率。
19.此外，在频率扫描otdr方式中，如非专利文献6所记载的那样，为了测定光谱，需要将光频扫描的精细度设定为非常小，并且需要进行这些被扫描的脉冲的第一个从入射端入射并散射的光返回后将第二个入射的顺序的入射和测定，因此与通常的otdr方式的应变测定技术相比，需要降低采样率，特别是在长距离光纤的测定中成为较大的缺点。


技术实现要素：

20.本发明的目的在于以高采样率实施施加于分支后的各芯线的应变变化的分布测定。
21.在本发明的应变变化测量装置中，
22.在参照时刻，将具有频率相对于时间而线性变化的啁啾的第一啁啾脉冲光入射到由耦合器分支的被测定光纤，取得相对于第一啁啾脉冲光的第一散射光的信号，
23.在各监测时刻，将使啁啾与第一啁啾脉冲光在时间轴上反转的第二啁啾脉冲光入射到所述被测定光纤，取得相对于第二啁啾脉冲光的第二散射光的信号，
24.求出使第一散射光的信号在时间轴上反转而且偏移的波形与第二散射光的信号的波形之间的相关成为最大的偏移量，并使用该偏移量来计算从参照时刻到各监测时刻的所述被测定光纤中的应变量的变化。
25.在本发明的应变变化测量方法中，
26.应变变化测量装置将具有频率相对于时间而线性变化的啁啾的第一啁啾脉冲光入射到由耦合器分支的被测定光纤，取得相对于第一啁啾脉冲光的第一散射光的信号，
27.应变变化测量装置将使啁啾与第一啁啾脉冲光在时间轴上反转的第二啁啾脉冲光入射到所述被测定光纤，取得相对于第二啁啾脉冲光的第二散射光的信号，
28.应变变化测量装置求出使第一散射光的信号在时间轴上反转而且偏移的波形与第二散射光的信号的波形之间的相关成为最大的偏移量，并使用该偏移量来计算所述被测定光纤中的应变量的变化。
29.根据本发明，能够以高采样率实施施加于分支后的各芯线的应变变化的分布测定。
附图说明
30.图1表示本发明的系统构成的一例。
31.图2表示本发明的应变变化测量方法的概略。
32.图3表示参照时的啁啾的情况。
33.图4表示监测时的啁啾的情况。
34.图5表示在入射脉冲s0到达被测定光纤s1的反射端s3之前被对象区间s2的散射体s4散射时的otdr波形的一例。
35.图6表示在啁啾相对于脉冲1反转的入射脉冲s7到达被测定光纤s1的反射端s3并被反射后被对象区间s2的散射体s4散射时的otdr波形的一例。
36.图7表示使用相干检波结构的系统构成的一例。
具体实施方式
37.下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，本发明不限定于以下所示的实施方式。这些实施例仅为例示，本发明能够以基于本领域技术人员的知识进行了各种变更、改良的方式来实施。另外，在本说明书和附图中，附图标记相同的构成要素表示相互相同的构成要素。
38.(发明概要)
39.提出如下技术：以光耦合器将被测定光纤分支的情况下，在各分支光纤的前端存在将测试光的波长的光进行反射的反射元件的结构中，以高采样率测定在分支后的各分支光纤中产生的应变变化。
40.在所提出的方法中，特征在于，虽然以otdr方式为基础而入射脉冲光，但是作为入射脉冲光分开使用具有相互反转的啁啾(chirp)的两种光脉冲。
41.具体地说，将具有瞬间频率相对于时间而线性增加的啁啾的光脉冲以及具有啁啾的光频率范围与该脉冲相同但啁啾的斜率的正负反转的啁啾的光脉冲这两种光脉冲用作入射光，在某一时刻a入射一种光脉冲并测量otdr波形，在某一时刻b入射另一种光脉冲并取得otdr波形。并且，特征在于，使在时刻a得到的otdr波形在时间轴上反转的波形，以在具有空间分辨率程度的幅度的规定区间中相对于在时刻b得到的otdr波形成为最大相关的方式，进一步在时间轴上偏移，并根据偏移量计算在时刻a至时刻b施加于规定的所述区间的应变量的变化。
42.如果使用所述具体步骤，则otdr方式的测定距离与采样率的关系直接成立，所以能够进行高采样率下的应变变化的测定。
43.(发明效果)
44.无论是已设置还是新设置，只要是在光耦合器的前端存在将测试光反射的元件(反射滤光器、反射镜)的结构，就能够以高采样率实施施加于耦合器分支后的各芯线的振动的分布测定。例如，如果考虑在平面上布置光纤来构建传感网络的情况，则在无分支地构建网络的情况下，如果在中途产生断线等故障，则不能在该部位以后的全部地点进行传感，但是如果是使用耦合器的分支结构的网络，则能够具有冗余性的功能等，因此提供这样的分支结构的传感网络中的应变变化测量的方法。
45.此外，将覆盖不同地域的多个传感网络的入射端与单输入多输出的光耦合器的多个输出侧相连，并且将一个光测定器的输出端与所述光耦合器的单输入侧相连，由此也可以提供利用一个所述光测定器同时进行不同地域的分布振动测量的单元。
46.作为其他例子，如果考虑将使用光纤的通信用网络也用于传感的情况，则在将基站至服务利用者住宅连接的接入网方式中，使用利用了作为光无源器件的光耦合器的分支结构的无源光网络(passive optical network(pon))系统的主要特点在于，耦合器自身廉
价、不需要供电、小型、以耦合器分支的前部分的光纤可共用，在pon系统中，一般是将通信光以外的波长截止的反射滤光器设置在各服务利用者onu跟前侧，因此作为以高采样率进行这些pon系统中的光耦合器分支后的各光纤的分布振动测量的方法，也能够使用本发明。
47.(实施方式例1)
48.图1表示在本实施方式例中使用的系统构成。本实施方式的应变变化测量装置包括：激光器1、调制器2、循环器3、光电二极管7、ad板8、计算机9。应变变化测量装置与被测定光纤4连接。
49.从激光器1射出连续光，由调制器2整形为啁啾后的脉冲光，并且经由循环器3入射到被测定光纤4。被测定光纤4通过光耦合器5被分支为芯线编号从#1至#n的n个分支光纤。在各个芯线的远端附近设置有反射元件6，将所述啁啾脉冲光反射。此时，从入射端到各分支光纤的反射元件6的距离设计为满足相互成为比由脉冲光的脉冲宽度确定的空间分辨率大的值的条件，或者在测定现有的分支光纤的情况下，对满足所述条件的分支光纤实施应变变化测量。伴随所述啁啾脉冲光在被测定光纤4中传播而产生的后向散射光经由循环器3由光电二极管7检测。由光电二极管7进行了光电转换的散射光的信号由ad板8数字化并传送到计算机9。传送到计算机9的信号暂时保存于存储部10。计算部11使用在不同时刻由所述步骤得到的保持于存储部10的信号，计算施加于被测定光纤4的各芯线的应变量的时间变化。
50.如图2所示，提案方法具体包括步骤s111至步骤s113而构成。
51.在步骤s111中，在参照时刻，将具有瞬间频率相对于时间而线性变化的啁啾的啁啾脉冲光入射到被测定光纤，取得散射光的信号i
ref
并保存于存储部10。
52.在步骤s112中，在监测时刻，将相比步骤s111使啁啾反转后的啁啾脉冲光入射到被测定光纤，取得散射光的信号i
p
并保存于存储部10。在想要追踪应变变化的多个监测时刻反复进行步骤s112。
53.在步骤s113中，在计算部11中，以使将在参照时刻取得的i
ref
在时间轴上反转而且偏移后的波形与在各监测时刻取得的i
p
的波形之间的相关成为最大化的方式，计算相对于反转后的i
ref
的偏移量，并且使用计算出的偏移量，计算从参照时刻到各监测时刻的应变量变化。图2汇总了这些步骤。
54.以下记述详细的原理说明。
55.在步骤s111中，在参照时刻t＝t
ref
，在入射端，生成由式(1)的时间波形给出的啁啾脉冲光，并入射到被测定光纤4。
56.[数学式1]
[0057][0058]
在式(1)中，使用将入射端的入射脉冲的起始的定时设为t＝0的时刻基准t来进行记述，具有t＝t-t
ref
的关系性。rect(x)是在0＜x＜1时为1、0＞x和1＜x时取0的值的函数。将虚数单位设为j。τ
p
是光脉冲宽度，设计成伴随着t从0经过τ
p
，瞬时频率从ν0线性变化为(ν
0-δν
p
)。
[0059]
图3表示啁啾的情况。式(1)表示入射端的入射脉冲的电场的复振幅的时间变化，
因此如果将距入射端的距离设为z，则向z的正方向传播的入射脉冲的任意位置处的电场的复振幅的时间变化成为式(s0)。但是，应当注意，在式(s0)中，没有考虑与由反射元件反射后的向z的负方向行进的测试光的重叠或与散射光的重叠。将光纤中的光速设为c。
[0060]
[数学式s0]
[0061][0062]
以下，计算伴随着生成的所述测试光在分支光纤#n(n＝1，2，
…
，n)中传播而产生的散射光向z的负的方向行进并传播到入射端的位置时的入射端中的复振幅。将从距入射端的距离z为d＜z＜(d+τ
p
c/2)的区间中的散射体散射的光的复振幅作为对象。如果将散射体i的位置设为距入射端距离d+di，将散射截面积设为ai，则被后向散射并返回到入射端的散射光的时间波形成为式(2)。
[0063]
[数学式2]
[0064][0065]
在式(2)的最右边，将依赖于各分支光纤#n的项的绝对值设为s
#n
(d，t)，将偏角设为θ
#n
(d，t)。在式(2)中，仅处理了从距入射端的距离z为d＜z＜(d+τ
p
c/2)的区间中的散射体散射的光，但是实际上也存在从其他区间中的散射体散射的光，因此来自所有散射体的散射光的总和成为以与不使用啁啾脉冲的通常的otdr波形相同的方式在横轴时间方向上连续的波形。
[0066]
另外，以下继续着眼于来自d＜z＜(d+τ
p
c/2)的区间中的散射体的散射来说明提案方法的原理，但是与扩展到所有区间来进行一般的讨论的情况得到的结论的本质没有变化。另外，在式(2)中，作为表示卷积积分的符号使用*。在以下的数学式记述中，*也仅表示卷积积分。通过式(s1)定义作为时刻t的函数的f(t)和g(t)的卷积积分的定义。
[0067]
[数学式s1]
[0068][0069]
此外，作为卷积积分的表述方法，也使用(s2)的表述方法。在式(2)中使用式(s2)的左边的表述方法。
[0070]
[数学式s2]
[0071]
f(t)*g(t)＝(f(t)*g(t))(t)＝(f*g)(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(s2)
[0072][0073]
由光电二极管接收在所述式(2)中记述的散射光并输出的信号i
ref
实际上成为来自各分支光纤的散射光的总和，使用光电二极管的冲击响应h(t)和不依赖于t的比例系数a，由式(3)给出。
[0074]
[数学式3]
[0075][0076]
其中，在式(3)中，关于入射端的散射光进一步经由循环器传播到光电二极管7的所需时间，无论是考虑还是不考虑，以下的原理说明的本质都不变，因此视为零。在以下的讨论中，也忽略所述所需时间。此外，光电转换后的电信号由ad板8数字化，关于保存到计算机9的存储部10为止的过程的所需时间，无论是考虑还是不考虑，以下的原理说明的本质都不变，因此视为零。在以下的讨论中，忽略所述所需时间。此外，关于光电转换后的电信号由ad板8数字化并保存到计算机9的存储部10为止的过程中产生的信号劣化，通过选择时间分辨率、电压分辨率、频带足够的ad板8等而能够忽略。因此，作为在步骤s111中保存于计算机9的存储部10的波形可以直接使用式(3)。
[0077]
在步骤s112中，在监测时刻t＝tk，在入射端中生成由式(4)的时间波形给出的啁啾脉冲光并入射到被测定光纤4。然而，所述监测时刻需要使所述监测时刻的散射光与参照时刻或者其他监测时刻的散射光在返回到入射端时相互不重叠。
[0078]
[数学式4]
[0079][0080]
在式(4)中是如下设计：以将入射端中的入射脉冲的起始的定时设为t＝0的时刻基准来进行记述，在t从0向τ
p
变化时瞬时频率从(ν
0-δν
p
)线性变化为ν0。与德尔塔函数的卷积积分是为了使时间轴偏移而进行的。
[0081]
图4表示啁啾的情况。相对于在参照时刻入射的啁啾脉冲，具有啁啾在时间上反转的性质。在式(4)中表示入射光的入射端中的电场的复振幅的时间变化，但是重新取式(4)
中的时刻基准t以满足t＝t-tk，应当注意与满足在式(1)至式(3)中使用的t＝t-t
ref
的时刻基准t不同。通过这样在每次入射入射脉冲时重新取时刻基准t，能够单独处理以将入射脉冲入射到入射端的定时为原点的参照时刻或各监测时刻各自的otdr波形，进行以后的原理说明。
[0082]
计算由式(4)给出的测试光从分支光纤#n(n＝1，2，
…
，n)散射的光的复振幅。在测试光被分支光纤#n(n＝1，2，
…
，n)的反射元件6反射的基础上，从距入射端的距离z为d＜z＜(d+τ
p
c/2)的区间中的散射体被后向散射，被后向散射的光被反射元件6反射，将返回到入射端的光的复振幅作为对象。将从入射端到反射元件6的距离设为l
#n
。
[0083]
首先，为了简单，在考虑相对于所述参照时刻对被测定光纤4施加振动而使散射体的分布变化的状况之前，考虑相对于所述参照时刻对被测定光纤4未施加振动而静止的状况。在未施加振动的情况下，被后向散射而返回到入射端的散射光的时间波形成为式(5)。
[0084]
[数学式5]
[0085][0086]
与式(2)同样，在式(5)中，应当注意，仅处理了从距入射端的距离z为d＜z＜(d+τ
p
c/2)的区间中的散射体散射的光。在计算了式(5)的复共轭的基础上，如果使时刻反转，则得到式(6)的关系式。
[0087]
[数学式6]
[0088][0089]
从式(6)可知，式(6)的左边的波形是相对于由式(2)给出的波形在时间上偏移了-τ
p-4l
#n
/c的波形。即，式(5)的otdr波形和式(2)的otdr波形具有形状在时间上反转的关系。这方面能够使用图5和图6定性地理解。
[0090]
如图5所示，在将啁啾脉冲s0入射到被测定光纤s1时，如果考虑在被反射元件s3反射之前从位于区间s2的散射体s41、s42、s43、s44散射的散射光，在以从位于最开头的s41散射的定时为基准时，各个散射光成为s51、s52、s53、s54。因此，它们重叠的波形成为s6。
[0091]
另一方面，如图6所示，在将相对于s0使啁啾反转后的s7入射到被测定光纤s1时，在由反射元件s3暂时反射的基础上、从位于区间s2的散射体被后向散射、并在由反射元件
s3反射的基础上向入射端方向返回的散射光，与光脉冲s7未被反射元件s3反射、而从相对于反射元件s3的位置与光纤区间2的散射体s41、s42、s43、s44位于镜像的位置关系的、位于外观上比反射元件s3更远离入射端的位置的光纤区间s8的散射体s91、s92、s93、s94被后向散射并向入射端方向返回的散射光，在将反射元件的反射率设为1时相同。因此，在入射脉冲s7到达反射端s3并被反射之后被对象区间s2的散射体s41至s44散射而产生的散射光的波形与从外观上位于区间s8的散射体s91、s92、s93、s94分别散射的散射光即101、102、103、104的重叠的散射光s11是相同波形。
[0092]
可知图5所示的散射光s6和图6所示的散射光s11成为相对于时间反转的形状。实际上，在啁啾脉冲内，如下的特性依旧成立：存在非常多的散射体，散射体的分布在区间s2的前后也有扩展，散射系数也按每个散射体而不同，但是在入射了反转的啁啾的情况下，得到反转的形状。
[0093]
但是，l
#n
的值在各分支光纤中不同，因此测试光被各分支光纤的反射元件反射，并且从距入射端的距离z为d＜z＜(d+τ
p
c/2)的区间中的散射体被后向散射，被后向散射的光被反射元件反射，返回到入射端的定时按每个分支光纤而不同。在来自某个分支光纤#x的上述散射光返回到入射端的定时，光电二极管输出的信号i
p，#x
成为式(7)。
[0094]
[数学式7]
[0095][0096]
在此，应当注意，为了明确是与哪个芯线的定时匹配，而使用下标#x。以下，在不需要特别明确定时与哪个芯线匹配的情况下，作为监测时刻的接收信号仅记载为i
p
。如果如式(8)那样定义d
#n
，
#x
，则式(7)能够使用式(6)如式(9)那样变形。
[0097]
[数学式8]
[0098]d#n，#x
＝2(l
#n-l
#x
)+d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(8)
[0099][0100]
[数学式9]
[0101]
[0102]
接着，作为一般状况，考虑相对于参照时刻对被测定光纤4施加振动而使散射体的分布变化的状况。关于光纤芯线#n，在参照时刻，位于距入射端距离d附近的散射体根据到跟前为止的振动的总和而移动到距离d+δd
#n
附近，而且以大于长度τ
p
c/2的尺度均匀地振动，即动态的应变ε
#n
(d)施加于距离d+δd
#n
附近，而且从入射端到反射元件6的长度根据施加于整体的振动的总和而从l
#n
变化为l
#n
+δl
#n
。
[0103]
此时，计算在测试光被分支光纤#n的反射元件6反射的基础上、从距入射端的距离z为(d+δd
#n
)＜z＜(d+δd
#n
+τ
p
c/2)的区间中的散射体被后向散射、被后向散射的光被反射元件6反射而返回到入射端的光的电场的复振幅的时间变化e
#n
[d，t，δd
#n
，δl
#n
，ε
#n
(d)]。在δd
#n
＝δl
#n
＝ε
#n
(d)＝0的情况下，e
#n
[d，t，δd
#’，δl
#n
，ε
#n
(d)]是由式(5)给出的e
#n
(d，t)的一般化。
[0104]e#n
[d，t，δd
#n
，δl
#n
，ε
#n
(d)]由于以下两个影响而成为相对于e
#n
(d，t)在参数t方向上偏移的波形。
[0105]
·
影响1：
[0106]
由于伴随着变化δd
#n
和变化δl
#n
的测试光和散射光的传播时间的变化，由散射光到达入射端的定时变化产生的影响
[0107]
·
影响2：
[0108]
由于所述区间中的散射体彼此的间隔成为(1+ε
#n
(d))倍，作为从各散射体散射的散射光彼此的干扰图案而得到的散射光波形变化的影响
[0109]
以下近似地评价各个影响的大小。
[0110]
·
影响1的大小：
[0111]
由于考虑距入射端外观上距离2l#n-d的位置的散射光，所以考虑光的往返部分，散射光到达入射端的定时会变化2(2δl
#n-δd)/c。
[0112]
·
影响2的大小：
[0113]
考虑所述区间中的散射光功率谱。如果将施加振动前的参照时刻的散射光功率谱设为σ(d，ω)，则根据与ofdr方式等相同的考虑方法，如果在监测时刻散射体彼此的间隔成为(1+ε
#n
(d))倍，则散射光功率谱σ(d，ω，ε
#n
(d))成为式(10)。
[0114]
[数学式10]
[0115]
σ(d,ω,∈
#n
(d))＝σ(d,(1+∈
#n
(d))ω)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(10)
[0116][0117]
在本发明中使用啁啾脉冲，由于各频率ω与时刻t之间存在线性关系，所以如式(11)那样能够使散射光功率谱与时间波形对应。
[0118]
[数学式11]
[0119][0120]
如果使用式(10)和式(11)，则监测时刻的时间波形成为式(12)。
[0121]
[数学式12]
[0122][0123]
考虑在式(12)的最右边的式变形中能够忽略微小项之间的积。式(11)、式(12)的时间波形对应于散射光的电场的振幅的平方，因此意味着由于ε
#n
(d)的影响，振幅的平方的时间波形关于参数t向负方向偏移ν0τ
p
ε
#n
(d)/δν
p
。如果将其作为参考，则还可知e
#n
[d，t，δd
#n
，δl
#n
，ε
#n
(d)]由于ε
#n
(d)的影响，相对于ε
#n
(d，t)，除了不依赖于角频率ω的相位分量以外，关于参数t向负方向偏移ν0τ
p
ε
#n
(d)/δν
p
。
[0124]
如果考虑所述影响1的大小和所述影响2的大小，则使用不依赖于角频率ω的相位分量得到式(13)。
[0125]
[数学式13]
[0126][0127]
比较式(13)的最右边的德尔塔函数中的项的大小。如果考虑实际环境下的测定，则在芯线#n上的大多地点中，能够使用式(14)的近似。另外，在式(14)不成立的情况下，也使用后述的实施方式例2等。
[0128]
[数学式14]
[0129][0130]
使用式(14)，式(13)能够变形为式(15)。
[0131]
[数学式15]
[0132][0133]
从式(15)可知，能够近似地忽略由δd
#n
、δl
#n
的变化产生的影响。如果使用式(15)，则测试光被某个分支光纤#x的反射元件反射，从距入射端的距离z为d+δd
#x
＜z＜d+δd
#x
+τ
p
c/2的区间中的散射体被后向散射，在被后向散射的光被反射元件反射而返回到入射端的定时，光电二极管输出的信号i
p，#x
成为式(16)。
[0134]
[数学式16]
[0135][0136]
在式(16)中，将依赖于n和m但在以后的讨论中不产生影响的部分，通过新使用实数θ
#n，#m
来表示，由此简化数学式来表现。
[0137]
在步骤s113中，通过计算在参照时刻测定的散射光强度i
ref
(d，t)和在监测时刻测定的散射光强度i
p，#x
(d，t)的相关，计算施加于在参照时刻分支光纤#x的距入射端的距离z为d＜z＜d+τ
p
c/2的区间的监测时刻的动态应变量ε
#x
(d)。此时，由式(17)定义用于相关计算的相关函数corr。r是表示偏移量的实数。
[0138]
[数学式17]
[0139][0140]
关于l
#x
，能够着眼于被各芯线的反射元件反射的测试光本身返回到入射端时产生的强信号峰值等来进行计算。如式(18)那样计算参照时刻的散射光强度i
ref
(d，t)与监测时刻的散射光强度i
p，#x
(d，t)的相关值c
#x
(d，r)。ft表示傅里叶变换，ift表示傅里叶逆变换。
[0141]
[数学式18]
[0142][0143]
包含从相互不同的芯线散射的散射光的复振幅的积的项，如果进行积分则非常小从而能够忽略，此外，包含从彼此相同的芯线但相互完全不同的区间散射的散射光的复振幅的积的项，如果进行积分则非常小从而能够忽略，因此式(18)能够变形为式(19)。
[0144]
[数学式19]
[0145][0146]
因此，如果将使相关值c
#x
(d，r)成为最大的偏移量r的值设为r
max
，则r
max
满足式(s3)。
[0147]
[数学式s3]
[0148][0149]
因此，动态应变量ε
#x
(d)能够由式(20)计算。
[0150]
[数学式20]
[0151][0152]
通过在各监测时刻反复进行上述计算，能够计算各监测时刻相对于所述参照时刻的应变量变化ε
#x
(d)，能够将振动作为应变量的时间变化，在各芯线中进行分布测定。
[0153]
对步骤进行总结，在步骤s111中，在参照时刻使用复振幅按照式(1)的啁啾脉冲光，将按照式(3)的散射光的信号i
ref
保存于存储部10。在步骤s112中，在监测时刻使用复振幅按照式(4)的啁啾脉冲光，将按照式(16)的散射光的信号i
p
保存于存储部10。在步骤s113中，使用保存于存储部10的i
ref
和i
p
，求出使由式(17)和式(18)定义的相关值最大化的偏移量，根据所求出的偏移量，计算监测时刻相对于参照时刻的应变量的变化。所述图2抽象化地总结了这些步骤。
[0154]
另外，在上述步骤中，使用式(17)和式(18)来计算参照时刻的即使没有反射元件6也能够检测出的通常的散射光的信号(以下称为通常信号)与各监测时刻的测试光被反射元件6反射后伴随着被反射的向入射端方向返回的测试光的传播而产生的向反射元件6的方向传播的后向散射光进一步被反射元件6反射而向入射端方向传播从而被检测出的信号(以下称为重影信号)之间的相关，但是也可以计算参照时刻的重影信号与各监测时刻的通常信号之间的相关。
[0155]
图1的装置结构基于直接检波结构，但是如图7所示，即使是相干检波结构也能够实施。采用相干检波结构，虽然装置结构复杂化，但是具有改善散射光检测的sn比、能够测定至更长距离的优点。
[0156]
从激光器501射出连续光，通过耦合器502分支为两路。将一方用作探测光，将另一方用作参照光。通过调制器503从探测光生成啁啾脉冲光。使所生成的啁啾脉冲光经由循环器504入射到被测定光纤505。被测定光纤505通过光耦合器506分支，存在分支光纤#1至分支光纤#n的n根分支光纤。在各个分支光纤的远端存在将所生成的啁啾脉冲光反射的反射
元件507。使从被测定光纤505瑞利后向散射的散射光和参照光入射到光90度混合器508。使来自光90度混合器的四个输出中的与同相分量对应的两个输出入射到平衡检测器509，使与正交分量对应的两个输出入射到平衡检测器510。使光电转换得到的同相分量的输出入射到ad转换板511，使正交分量的输出入射到ad转换板512，转换为数字信号。数字化后的信号保存于计算机513的存储部514。通过计算保存于存储部514的同相分量的平方与正交分量的平方之和，能够计算出在式(3)、式(16)中记载的散射光强度。计算部515使用保存于存储部514的数据来进行计算。
[0157]
另外，在图1和图7的任意一个结构中，通过充分增大光电二极管的频带，能够将式(18)中的ft[h(t)]近似为1。
[0158]
(实施方式例2)
[0159]
在实施方式例1中，通过测定各监测时刻相对于参照时刻的应变量变化来对振动进行追踪。但是，如果从参照时刻到监测时刻的应变变化变大，则不能使用对式(15)的绝对值进行计算而得到的成为|e
#n
[d，t，δd
#n
，δl
#n
，ε
#n
(d)]|相对于|e
#n
(d，t)|在参数t方向上偏移与ε
#n
(d)成比例的量的波形的近似式。为了应对该问题，在本实施方式例中，说明使用在前一个监测时刻得到的散射光波形作为各监测时刻的参照的方法。
[0160]
首先，将监测时刻表述为tk(k∈n)。对于所有k以满足t
(k-1)
＜tk＜t
(k+1)
的方式标注编号。
[0161]
在实施方式例1中，仅在参照时刻使用使啁啾与其他监测时刻反转的脉冲，但是在本实施方式例中，在编号k为奇数的情况下使用式(1)，在编号k为偶数的情况下使用式(4)。即，交替入射啁啾反转的脉冲。将在监测时刻tk取得的散射光设为i
k，#x
(d，t)。
[0162]
按照以下的步骤计算从时刻t
(k-1)
到tk的应变量变化ε
#x
(d，k)。
[0163]
·
k为偶数的情况
[0164]
与实施方式例1同样，由式(21)计算时刻tk的相关值c
k，#x
。
[0165]
[数学式21]
[0166][0167]
如果对式(21)的相关值，计算出给出最大值的r的值，并将其设为r
max
，则r
max
满足式(22)。
[0168]
[数学式22]
[0169][0170]
因此，应变量变化ε
#x
(d，k)能够通过式(23)计算。
[0171]
[数学式23]
[0172]
[0173]
·
k为奇数的情况
[0174]
与k为偶数的情况同样，通过式(21)计算相关值，对相关值计算出给出最大值的r的值，并将其设为r
max
。r
max
满足式(24)。
[0175]
[数学式24]
[0176][0177]
因此，应变量变化ε
#x
(d，k)能够通过式(25)计算。
[0178]
[数学式25]
[0179][0180]
另外，在上述步骤中，使用式(17)和式(18)来计算监测时刻t
(k-1)
的即使没有反射元件也能够检测出的通常的散射光的信号(以下称为通常信号)与监测时刻tk的测试光被反射元件反射后伴随着被反射的向入射端方向返回的测试光的传播而产生的向反射元件的方向传播的后向散射光进一步被反射元件反射而向入射端方向传播从而被检测出的信号(以下称为重影信号)之间的相关，但是也可以计算监测时刻t
(k-1)
的重影信号与监测时刻tk的通常信号之间的相关。
[0181]
关于实验结构，由于仅改变探测光的调制方式，所以也能够依旧使用图1、图7的结构。
[0182]
另外，本发明不仅限于上述实施方式例1、上述实施方式例2，在实施阶段，在不脱离其宗旨的范围内可以变更构成要素、信号处理方法而具体化。此外，本发明的装置(计算机)也可以通过计算机和程序来实现，可以将程序记录于记录介质，也可以通过网络来提供。
[0183]
工业实用性
[0184]
本发明能够应用于信息通信工业。
[0185]
附图标记说明
[0186]
1、501：激光器
[0187]
2、503：调制器
[0188]
3、504：循环器
[0189]
4、505：被测定光纤
[0190]
5、506：光耦合器
[0191]
6、507：反射元件
[0192]
7：光电二极管
[0193]
8：ad板
[0194]
9、513：计算机
[0195]
10、514：存储部
[0196]
11、515：计算部
[0197]
502：耦合器
[0198]
508：光90度混合器
[0199]
509、510：平衡检测器
[0200]
511、512：ad转换板