测量装置以及测量方法
【专利摘要】本发明涉及测量装置以及测量方法，上述测量装置具备：光源部，生成探测光；分支部，将由上述探测光产生的后方布里渊散射光分支为在第一光路和第二光路传播的第一光和第二光；延迟部，对上述第一光和第二光的任一方的光赋予延迟；合波部，将上述第一光和第二光合波来生成合波光；相干检波部，对上述合波光进行零差检波并将其检波到的差频作为相位差信号输出。根据本发明，当使用后布里渊散射光进行光纤的失真测量时，通过测量光的频率变化作为由相干检波所提供的差拍信号的相位差，由此取得时间和相位的2维信息。
【专利说明】
测量装置以及测量方法
技术领域
[0001]本发明涉及使用了布里渊散射光的测量装置以及测量方法。
【背景技术】
[0002]随着光纤通信的发展，光纤自身作为传感介质的分布型光纤传感被广泛研究。在分布型光纤传感中，以光时域反射仪(0TDR:0ptical Time Domain Ref lectometry)为代表，在该光时域反射仪中，从光纤的一端入射光脉冲，并相对时间测量在光纤中被后方散射的光。在光纤中的后方散射中存在瑞利散射、布里渊散射以及拉曼散射。其中，测量自然布里渊散射被称呼为BOTDR(Brillc)Uin 0TDR:布里渊光时域反射仪)(例如，参照非专利文献
Do
[0003]布里渊散射在相对于入射到光纤的光脉冲的中心频率在斯托克斯侧以及反斯托克斯侧频移了 GHz的程度的地方被观测到，该光谱被称为布里渊增益光谱。布里渊增益光谱的频移量和光谱线宽分别被称为布里渊位移和布里渊线宽，并根据光纤的材质以及入射到光纤的光脉冲的波长而不同。例如，被报告内容中，在波长1.5 5 μπι的光脉冲入射到石英系的单模光纤的情况下，布里渊位移成为约11GHz，布里渊线宽成为约30MHz。
[0004]已知布里渊位移相对光纤的失真以500MHz/%的程度的比例线性变化。若将这些换算为拉伸失真和温度，则分别对应于0.058ΜΗζ/με、1.18MHz/°C。
[0005]如此，在BOTDR中，能够测量针对光纤的长度方向上的失真、温度分布。因此，BOTDR作为桥梁、隧道等大型建筑物的监控技术而被关注。
[0006]由于BOTDR测量在光纤中发生的自然布里渊散射光的光谱波形，因此该BOTDR—般进行与另外准备的参照光一起的外差检波。自然布里渊散射光的强度比瑞利散射光的强度小2?3位。因此，外差检波即便在使最小感光灵敏度增加上也变得有用。
[0007]参照图6，对以往的BOTDR进行说明(例如，参照专利文献I)。图6是以往的光纤失真测量装置的示意方框图。
[0008]从光源112被出射的连续光被光耦合器142分支为2个。被分支为2个的其中一个作为参照光使用，另一个通过光频移器143接受与布里渊频率相当的频移后，通过光脉冲发生器114成为脉冲状的探测光。
[0009]该探测光经过光耦合器120被入射到成为测量对象的光纤(被测量纤维)100。来自被测量纤维100的后方布里渊散射光在光耦合器150中与参照光被合波后，被由平衡型光电二极管(PD) 162和FET放大器164构成的接收器160外差检波。
[0010]这里，由于探测光通过光频移器143被实施了布里渊频率程度的频移，所以被外差检波而被生成的差拍信号的频率变低。通过混频器170、电滤波器178使差拍信号降低频率后，对通过利用检波电路172进行平方检波或者包络检波而得到的IF( IntermediateFrequecy)信号的功率进行测量。该结果被发送至信号处理装置174。
[0011]这里，由于BOTDR处理针对光纤的长度方向上的频率光谱分布的信息，所以需要取得时间、振幅以及频率的3维信息。参照图7，在BOTDR中，对时间、振幅以及频率的3维信息的取得方法进行说明。图7是用于说明在以往的光纤失真测量装置中的时间、振幅以及频率的3维信息的取得方法的示意图。在上述的专利文献I所公开的技术中，在测量布里渊频率光谱整体时，通过扫描局部振荡电信号源183的频率f来取得时间t以及振幅I的2维信息。
[0012]专利文献1:日本特开2001 —165808号公报
[0013]非专利文南犬1:T.Kurashima et al./'Brillouin Optical —fiber time domainref lectometry “，IEICE Trans.Commun.，vol.Ε76—B，n0.4，pp.382 —390( 1993)
【发明内容】
[0014]这里，由于自然布里渊散射光非常微弱，所以即使应用外差检波也不能确保足够的信噪比(S/N)。其结果是，需要用于S/N改善的平均化处理。由于该平均化处理和上述3维信息的取得，所以在以往的光失真测量装置中难以缩短测量时间。
[0015]本发明正是鉴于上述的问题点而提出。本发明的目的在于提供一种光纤失真测量装置以及光纤失真测量方法，其通过测量光的频率变化作为由相关检波所提供的差拍信号的相位差，并使用了取得时间和相位的2维信息的自然布里渊散射光。
[0016]一种测量装置，具备:光源部，生成探测光;分支部，将由上述探测光产生的后方布里渊散射光分支为在第一光路和第二光路传播的第一光和第二光;延迟部，对上述第一光和第二光的任一方的光赋予延迟;合波部，将上述第一光和第二光合波来生成合波光;相干检波部，对上述合波光进行零差检波并将其检波到的差频作为相位差信号输出。
[0017]另外，测量装置的构成为具备:光源部、分支部、延迟部、合波部以及相干检波部。而且，上述光源部生成探测光。探测光被入射至成为测量对象的光纤(被测量光纤)。分支部将由探测光在被测量光纤发生的后方布里渊散射光分支为第一光路和第二光路的2个。延迟部被设置在第一光路和第二光路的任一方，并对在第一光路和第二光路传播的光之间赋予延迟时间差。合波部将在第一光路以及第二光路传播的光合波来生成合波光。相干检波部对合波光进行零差检波并将差频作为相位差信号输出。该相位差信号是所谓的差拍信号。
[0018]另外，根据上述测量装置的优选实施方式，测量装置的构成为具备:光源部、分支部、光频移部、延迟部、合波部、相干检波部、电信号生成部以及混频部。而且，光源部生成探测光。探测光被入射至被测量光纤。分支部将由探测光在被测量光纤发生的后方布里渊散射光分支为第一光路和第二光路的2个。光频移部被设置在第一光路和第二光路的任一方，并提供拍频的频移。延迟部被设置在第一光路和第二光路的任一方，对在第一光路和第二光路传播的光之间赋予延迟时间差。合波部将在第一光路和第二光路传播的光合波来生成合波光。相干检波部对合波光进行外差检波并将差频率作为第一电信号输出。电信号生成部生成频率与第一电信号保持相同频率的第二电信号。混频部对第一电信号和第二电信号进行零差检波并将差频作为相位差信号输出。
[0019]该第一电信号是所谓的差拍信号。
[0020]另外，根据测量装置的其它优选实施方式，构成为代替光频移部具备第一光频移部和第二光频移部。而且，第一光频移部被设置在第一光路，赋予第一频率的频移。第二光频移部被设置在第二光路，赋予第二频率的频移。
[0021]该情况下，由于第二电信号作为第一频率与第二频率的差频被生成，所以成为所谓的差拍信号。
[0022]另外，测量方法包含以下的过程。首先，生成探测光。探测光被入射至被测量光纤。接着，将由探测光在被测量光纤发生的后方布里渊散射光分支为第一光路和第二光路的2个。接着，对在第一光路和第二光路传播的光之间赋予延迟时间差。接着，将在第一光路和第二光路传播的光合波来生成合波光。接着，对合波光进行零差检波并将差频作为相位差信号输出。
[0023]另外，根据上述测量方法的其它优选实施方式，构成为具备以下过程。
[0024]首先，生成探测光。探测光被入射至被测量光纤。接着，将由探测光在被测量光纤发生的后方布里渊散射光分支为第一光路和第二光路的2个。对在第一光路和第二光路的任一方传播的光赋予拍频的频移。接着，对在第一光路和第二光路传播的光之间赋予延迟时间差。接着，将在第一光路和第二光路传播的光合波来生成合波光。接着，对合波光进行外差检波来生成第一电信号。接着，生成频率与第一电信号保持相同频率的第二电信号。
[0025]接着，对第一电信号和第二电信号零差检波并将差频作为相位差信号输出。
[0026]另外，根据测量方法的其它优选实施方式，对在第一光路传播的光提供第一频率的频移并对在第二光路传播的光提供第二频率的频移。
【附图说明】
[0027]图1是第一光纤失真测量装置的示意方框图。
[0028]图2是表示布里渊位移与差拍信号的相位变化的示意图。
[0029]图3是表示延迟时间与可测量频率的关系的示意图。
[0030]图4是第二光纤失真测量装置的示意方框图。
[0031 ]图5是第3光纤失真测量装置的示意方框图。
[0032]图6是以往的光纤失真测量装置的示意方框图。
[0033]图7是用于说明以往的光纤失真测量装置的时间、振幅以及频率的3维信息的取得方法的示意图。
[0034]附图标记说明:10...光源部;20...循环器;30...光放大器;32...光带通滤波器；40、41...自身延迟外差干涉仪;42...分支部;43...光频移部;44...第一光频移部;46...第二光频移部;48...延迟部;50...合波部;60...相干检波部;62...平衡型PD; 64...FET放大器;70、86...混频部；72、88...低通滤波器(LPF);74...信号处理装置;80、81...电信号生成部;82...第一局部振荡电信号源;83...局部振荡电信号源;84...第二局部振荡电信号源;90...定时控制器。
【具体实施方式】
[0035]以下，虽然参照附图对本发明的实施方式进行说明，但是对于各构成要素的形状、大小以及配置关系只不过是为了能够适度地理解本发明而概略地表示。另外，以下虽然说明本发明的优选结构例，但各构成要素的材质以及数值的条件等只不过仅用于优选例。因此，本发明并不限定在以下的实施方式，能够进行不脱离本发明的构成的范围而能够达成本发明效果的多个变更或者变形。另外，关于各构成要素，能够使用实现以下说明的功能的任意优选的公知的元件等。
[0036](第一实施方式)
[0037]参照图1，对第一实施方式的光纤失真测量装置(以下也称为第一光纤失真测量装置。)进行说明。图1是第一光纤失真测量装置的示意方框图。
[0038]第一光纤失真测量装置的构成为具备:光源部10、循环器20、光放大器30、光带通滤波器32、自身延迟外差干涉仪40以及定时控制器90。
[0039]光源部10生成探测光。光源部10构成为具备生成连续光的光源12、由连续光生成光脉冲的光脉冲发生器14。
[0040]这里，第一光纤失真测量装置测量频率变化相应的相位差。因此，光源12的频率波动必须比布里渊位移足够小。鉴于此，使用频率稳定激光器作为光源12。例如，在将成为测量对象的光纤(以下，也称为被测量光纤。)100的失真设为0.008%时，布里渊位移相当于4MHz。因此，在测量0.008 %程度的失真时，期望光源12的频率波动与4MHz相比足够小。
[0041 ] 光脉冲发生器14使用任意优选的以往周知的声光(A0:Acoust Optical)调制器或者电光(E0:Electric Optical)调制器而构成。光脉冲发生器14根据由定时控制器90生成的电脉冲，由连续光生成光脉冲。该光脉冲的重复周期被设定为比光脉冲在被测量光纤100中往返所需要的时间长。该光脉冲作为探测光从光源部10被输出。
[0042]从该光源部10被输出的探测光经过循环器20被入射至被测量光纤100。其中，也可以使用光耦合器代替20。
[0043]来自被测量光纤100的后方散射光经过循环器20被发送至光放大器30。由光放大器30被放大的后方散射光被发送至光带通滤波器32。光带通滤波器32具有1GHz程度的透射频带，仅透射自然布里渊散射光。该自然布里渊散射光被发送至自身延迟外差干涉仪40。从该光带通滤波器32被出射的自然布里渊散射光的在时刻t时的信号E0(t)用以下的公式
(I)表示。
[0044]Eo(t) =Aoexp{ j(23ifbt+ Φ ο)} (I)
[0045]这里，Αο表示振幅，fb表示自然布里渊散射光的光频率、Φ ο表示初期相位。
[0046]自身延迟外差干涉仪40的构成为具备:分支部42、第一光频移部44、第二光频移部46、延迟部48、合波部50、相干检波部60、混频部70、低通滤波器(LPF)72、电信号生成部80和信号处理装置74。
[0047]电信号生成部80的构成为具备:第一局部振荡电信号源82、第二局部振荡电信号源84、混频部86以及低通滤波器(LPF)88。其中，第一局部振荡电信号源82、第二局部振荡电信号源84也可以存在于电信号生成部80的外部。第一局部振荡电信号源82生成第一频率fi的电信号。第二局部振荡电信号源84生成第二频率5的电信号。混频部86由第一频率的电信号、第二频率f2的电信号生成第一频率^以及第二频率f2的和频分量、和差频分量。LPF88从由混频部86生成的信号输出差频分量Af(Zf1-A)的差拍信号。
[0048]分支部42利用探测光接收经过光带通滤波器32的由被测量光纤100发生的后方布里渊散射光，并将该后方布里渊散射光分支为第一光路以及第二光路。
[0049]第一光频移部44被设置于第一光路。第一光频移部44使用由第一局部振荡电信号源82所生成的第一频率的电信号针对在第一光路传播的光提供第一频率5的频移。
[0050]第二光频移部46被设置于第二光路。第二光频移部46使用由第二局部振荡电信号源84所生成的第二频率f2的电信号对在第二光路传播的光提供第二频率f2的频移。
[0051]在以往的例如专利文献I中所公开的测量装置中，提供与布里渊位移对应的数十GHz程度的频移。与此相对，在该第一光纤失真测量装置中，第一频率以及第二频率f2是数十MHz程度。因此，能够使用比以往的测量装置小型且便宜的频移器。
[0052]另外，在该结构例中，在第二光路设置有延迟部48。延迟部48对于在第二光路传播的光提供时间τ的延迟。
[0053]合波部50将在第一光路和第二光路传播的光合波来生成合波光。被入射至合波部50且在第一光路传播的光信号Ei(t)、在第二光路传播的光信号E2(t — τ)分别用以下的(2)
(3)公式表不。
[0054]Ei(t) =Aiexp{ j (23Tfbt+23rfit+Φ I)} (2)
[0055]E2(t) =A2exp[ j{2jrfb(t — T)+23if2t+Φ 2} ] (3)
[0056]这里，A1、A2以及Φ 1、Φ2分别是Ei(t)以及E2(t —τ)的振幅，Φ ι以及Φ 2分别是Ei(t)以及E2(t — τ)的初期相位。
[0057]相干检波部60外差检波合波光来生成差拍信号。相干检波部60的构成为具备:例如平衡型光电二极管(PD)62和FET放大器64。通过外差检波所提供的差拍信号I用以下的公式(4)表示。
[0058]I=Ai2+A22+4AiA2Cos{2jt( Δ ft+fbx)+Φ ι~ Φ 2} (4)
[0059]由相干检波部60所生成的差拍信号作为第一电信号被发送至混频部70。另外，由电信号生成部80所生成的差拍信号作为第二电信号被发送至混频部70。
[0060]混频部70对第一电信号和第二电信号进行零差检波并生成零差信号。这里，由于作为差拍信号的第一以及第二电信号是具有任意拍频Af的差拍信号，所以通过对它们进行零差检波，23ifbT的变化作为相位差被输出。布里渊频率&由于光源12的振荡频率的波动和被测量光纤100的失真这2个原因而变化。可是，通过使用频率稳定激光器作为光源12，基于被测量光纤100的失真的影响成为主导。这里，若假定在被测量光纤100中发生基于局部的失真的布里渊位移A fb，则上述的公式(4)能够如以下的公式(5)那样改写。
[0061]I =Ai2+A22+4AiA2Cos[2jt{ Δ ft+(fb+Δ fb(t) )τ} +φ ι-φ 2] (5)
[0062]低通滤波器72从零差信号去掉和频分量来生成表示与相位差对应的电压值的相位差信号。该相位差信号被送至信号处理装置74进行规定的处理。
[0063]图2(A)以及(B)是表示布里渊位移和差拍信号的相位变化的示意图。图2(A)示出在横轴表示时间t，在纵轴表示频率。另外，图2(B)示出在横轴表示时间t，在纵轴表示电压。
[0064]该横轴的时间表示发生布里渊散射的地方。即，针对探测光被出射的时间，经过时间t后在后方布里渊散射光被入射的情况下，若设被测量光纤内的光的传播速度为V，则在距离被测量光纤的入射端为vt/2的位置发生后方布里渊散射。
[0065]在图2(A)中，表示与从时刻tl到t2的时间T对应的区间内发生频移的例子。此时，因为由自身延迟外差干涉仪赋予延迟时间τ，所以相位变化在从tl到tl+τ之间变化，并在从时刻t2到t2+T之间返回到原来的状态。即，由第一光纤失真测量装置测量相位差时，需要满足T > τ的关系，可测量的时间分辨率(S卩，空间分辨率)由τ决定。并且，可测量的频率变化也由τ的大小决定。即，若τ变大，则可测量的频率范围变小，但是空间分辨率变大。另一方面，若τ变小，则空间分辨率变小，但是可测量的频率范围变大。如此，在延迟时间与可测量的频率之间存在权衡的关系。在图3中表示延迟时间与可测量频率的关系。在这里，设相位变化的最小检测感度为2V1000?2jt。若设延迟时间τ为lns，则频率测量范围成为IMHz?1GHz。Ins的延迟时间τ对应于20cm的空间分辨率，IMHz?IGHz的频率测量范围相当于0.002?2%的光纤的失真。这些值作为光纤的失真测量满足足够的空间分辨率以及测量精度。
[0066]如上所述，通过测量光的频率变化作为由相关检波提供的差拍信号的相位差，由此取得时间以及相位的2维信息。因此，与需要3维信息的取得的现有技术相比，缩短了测量时间。
[0067](第二实施方式)
[0068]参照图4，对第二实施方式的光纤失真测量装置(以下，也称为第二光纤失真测量装置。)进行说明。图4是第二光纤失真测量装置的示意方框图。
[0069]第二光纤失真测量装置与第一光纤失真测量装置的不同点在于，自身延迟外差干涉仪41的光频移部43是I个。在这里，虽然表示了光频移部43被设置于第二光路的例子，但是也可以被设置于第一光路。
[0070]由于光频移部是I个，所以电信号生成部81具备的局部振荡电信号源83也是I个。另外，来自局部振荡电信号源83的电信号作为第二电信号被输入至混频部70。对于其它的结构，因与第一光纤失真测量装置相同而省略重复的说明。
[0071]第二光纤失真测量装置对应于在上述(I)?(5)公式中设定f2= 0、Δ f = 情形。对于第二光纤失真测量装置而言，由于光频移部、局部振荡电信号源是I个，所以与第一光纤失真测量装置相比，在制造成本方面上是有利的。另一方面，因为由合波部所合波的2个光的频率是接近的值，所以从进行零差检波的观点出发，第一光纤失真测量装置能够进行更加高精度的测量。
[0072](第3实施方式)
[0073]参照图5，对第3实施方式的光纤失真测量装置(以下，也称为第3光纤失真测量装置。)进行说明。图5是第3光纤失真测量装置的示意方框图。
[0074]第3光纤失真测量装置与第一光纤失真测量装置的不同点在于，不具备光频移部。
[0075]该情况下，相干检波部60进行零差检波来生成差拍信号。由于该差拍信号照旧对应于相位差信号，因此不需要电信号生成部、混频部、LPF。
[0076]第3光纤失真测量装置对应于在上述(I)?(5)公式中设定fi = f2 = 0、Δ f = 0的情形。由于第3光纤失真测量装置不具备光频移部、局部振荡电信号源，所以与第一光纤失真测量装置、第二光纤失真测量装置相比，在第3光纤失真测量装置制造成本方面上是有利的。
【主权项】
1.一种测量装置，具备: 光源部，生成探测光； 光纤，入射所述探测光，并由所述探测光发生后方布里渊散射光； 分支部，将所述后方布里渊散射光分支为第一光和第二光； 延迟部，对所述第一光和第二光的任一方的光赋予延迟； 合波部，将所述第一光和第二光合波来生成合波光；以及 相干检波部，对所述合波光进行零差检波并将其检波到的差频作为相位差信号输出。2.—种测量装置，具备: 光源部，生成探测光； 分支部，将由所述探测光产生的后方布里渊散射光分支为在第一光路和第二光路传播的第一光和第二光； 延迟部，对所述第一光和第二光的任一方的光赋予延迟； 合波部，将所述第一光和第二光合波来生成合波光；以及 相干检波部，对所述合波光进行零差检波并将其检波到的差频作为相位差信号输出。3.根据权利要求2所述的测量装置，其中， 所述后方布里渊散射光由在所述光纤传播的所述探测光发生。4.一种测量装置，具备: 光源部，生成探测光； 分支部，若所述探测光入射到光纤，则在所述光纤中由所述探测光发生后方布里渊散射光，将该后方布里渊散射光分支为在第一光路和第二光路传播的第一光和第二光； 移相部，设在所述第一光路和所述第二光路的任一方，并将所述第一光和第二光的任一方的光的频率移相拍频的程度； 延迟部，对所述第一光和第二光的任一方的光赋予延迟； 合波部，将所述第一光和第二光合波来生成合波光； 相干检波部，对所述合波光进行外差检波并将其检波到的差频作为第一电信号输出；电信号生成部，生成频率与所述第一电信号的频率相同的第二电信号；以及混频部，对所述第一电信号和所述第二电信号进行零差检波，并将其检波到的差频作为相位差信号输出。5.—种测量装置，具备: 光源部，生成探测光； 分支部，若所述探测光入射到光纤，则在所述光纤中由所述探测光发生后方布里渊散射光，将该后方布里渊散射光分支为在第一光路和第二光路传播的第一光和第二光； 第一移相部，设在所述第一光路，并将所述第一光的频率移相第一频率的程度； 第二移相部，设在所述第二光路，并将所述第二光的频率移相第二频率的程度； 延迟部，对所述第一光和第二光的任一方的光赋予延迟； 合波部，将所述第一光和第二光合波来生成合波光； 相干检波部，对所述合波光进行外差检波并将其检波到的差频作为第一电信号输出； 电信号生成部，生成频率与所述第一电信号的频率相同的第二电信号；以及 混频部，对所述第一电信号和所述第二电信号进行零差检波，并将差频作为相位差信号输出。6.一种测量方法，具有: 生成过程，生成探测光； 分支过程，将由所述探测光产生的后方布里渊散射光分支为在第一光路和第二光路传播的第一光和第二光； 延迟过程，对所述第一光和第二光的任一方的光赋予延迟； 合波过程，将所述第一光和第二光合波来生成合波光；以及 输出过程，对所述合波光进行零差检波并将其检波到的差频作为相位差信号输出。7.根据权利要求6所述的测量方法，其中， 所述后方布里渊散射光由在所述光纤传播的所述探测光发生。8.—种测量方法，具有: 生成过程，生成探测光； 分支过程，若所述探测光入射到光纤，则在所述光纤中由所述探测光发生后方布里渊散射光，将该后方布里渊散射光分支为在第一光路和第二光路传播的第一光和第二光；移相过程，将所述第一光和第二光的任一方的光的频率移相拍频的程度； 延迟过程，对所述第一光和第二光的任一方的光赋予延迟； 合波过程，将所述第一光和第二光合波来生成合波光； 第一输出过程，对所述合波光进行外差检波并将其检波到的差频作为第一电信号输出； 生成过程，生成频率与所述第一电信号的频率相同的第二电信号；以及第二输出过程，对所述第一电信号和所述第二电信号进行零差检波，并将其检波到的差频作为相位差信号输出。9.一种测量方法，具有: 生成过程，生成探测光； 分支过程，若所述探测光入射到光纤，则在所述光纤中由所述探测光发生后方布里渊散射光，将该后方布里渊散射光分支为在第一光路和第二光路传播的第一光和第二光；第一移相过程，将所述第一光的频率移相第一频率的程度； 第二移相过程，将所述第二光的频率移相第二频率的程度； 延迟过程，对所述第一光和第二光的任一方的光赋予延迟； 合波过程，将所述第一光和第二光合波来生成合波光； 第一输出过程，对所述合波光进行外差检波并将其检波到的差频作为第一电信号输出； 生成过程，生成频率与所述第一电信号的频率相同的第二电信号；以及第二输出过程，对所述第一电信号和所述第二电信号进行零差检波，并将其检波到的差频作为相位差信号输出。
【文档编号】G01D5/353GK106017521SQ201610024026
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年1月14日
【发明人】小泉健吾
【申请人】冲电气工业株式会社