JP2019035724A - Optical fiber strain measurement device and optical fiber strain measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ブリルアン散乱光を用いた、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。 The present invention relates to an optical fiber strain measuring apparatus and an optical fiber strain measuring method using Brillouin scattered light.
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。分布型光ファイバセンシングでは、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:Optical Time Domain Reflectometry)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(Brillouin OTDR)と呼ばれる(例えば、非特許文献1参照)。 With the development of optical fiber communication, distributed optical fiber sensing using the optical fiber itself as a sensing medium is actively studied. A typical example of distributed optical fiber sensing is time domain reflectometry (OTDR) in which a light pulse is incident from one end of an optical fiber and the light backscattered in the optical fiber is measured with respect to time. is there. Backscattering in an optical fiber includes Rayleigh scattering, Brillouin scattering, and Raman scattering. Among them, the one that measures natural Brillouin scattering is called BOTDR (Brillouin OTDR) (see, for example, Non-Patent Document 1).
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、ストークス側及びアンチストークス側に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:Brillouin Gain Spectrum)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:Brillouin Frequency Shift)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、光ファイバの材質および入射光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、シングルモード光ファイバ中の歪み、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/℃であることが知られている。 Brillouin scattering is observed at a position shifted about GHz in the Stokes side and the anti-Stokes side with respect to the center frequency of the optical pulse incident on the optical fiber, and the spectrum is a Brillouin gain spectrum (BGS). be called. The frequency shift and spectral line width of BGS are called Brillouin frequency shift (BFS) and Brillouin line width, respectively. The BFS and Brillouin line widths differ depending on the material of the optical fiber and the incident light wavelength. For example, in the case of a silica-based single mode optical fiber, it has been reported that the BFS size and Brillouin line width at a wavelength of 1.55 μm are about 11 GHz and about 30 MHz, respectively. In addition, it is known that the magnitude of BFS accompanying changes in strain and temperature in a single mode optical fiber is 0.049 MHz / με and 1.0 MHz / ° C. at a wavelength of 1.55 μm, respectively.
ここで、BFSは歪みと温度に対して依存性を持つため、BOTDRは橋梁やトンネルなどに代表される大型建造物や、地滑りが発生する恐れのある箇所などの監視目的で利用可能として注目されている。 Here, since BFS has dependency on strain and temperature, BOTDR is attracting attention as being usable for monitoring purposes such as large buildings such as bridges and tunnels, and places where landslides may occur. ing.
BOTDR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。 BOTDR generally performs heterodyne detection with reference light prepared separately in order to measure the spectral waveform of natural Brillouin scattered light generated in an optical fiber. The intensity of natural Brillouin scattered light is two to three orders of magnitude smaller than the intensity of Rayleigh scattered light. For this reason, heterodyne detection is useful for improving the minimum light receiving sensitivity.
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。この平均化処理と、時間、振幅及び周波数の3次元情報の取得のため、従来の光ファイバ歪み測定装置では、測定時間の短縮が難しい。 Here, since natural Brillouin scattered light is very weak, even if heterodyne detection is applied, a sufficient signal-to-noise ratio (S / N) cannot be ensured. As a result, an averaging process for improving S / N is required. Due to this averaging process and the acquisition of three-dimensional information of time, amplitude, and frequency, it is difficult to shorten the measurement time in the conventional optical fiber strain measurement device.
この発明の発明者らは、上述の問題点に鑑みて、光の周波数変化をコヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定することにより、時間及び位相の2次元の情報を取得する、自然ブリルアン散乱光を用いた、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検討している(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1では、自己遅延ヘテロダイン型のBOTDR(SDH−BOTDR:Self−Delayed Heterodyne BOTDR)の技術が用いられている。 In view of the above problems, the inventors of the present invention obtain two-dimensional information of time and phase by measuring the frequency change of light as a phase difference of a beat signal given by coherent detection. An optical fiber strain measurement device and an optical fiber strain measurement method using Brillouin scattered light are being studied (see, for example, Patent Document 1). In Patent Document 1, a self-delayed heterodyne type BOTDR (SDH-BOTDR: Self-Delayed Heterodyne BOTDR) technique is used.
このSDH−BOTDRでは、光源から出力される連続(CW)光は、変調器により矩形型の光パルスに変調され、被測定光ファイバに入力される。被測定光ファイバからの後方ブリルアン散乱光は、狭帯域光フィルタ(OBPF)によるレイリー散乱光とブリルアン散乱光に分離され、ブリルアン散乱光のみが、自己遅延ヘテロダイン干渉計に入力される。 In this SDH-BOTDR, continuous (CW) light output from a light source is modulated into a rectangular optical pulse by a modulator and input to a measured optical fiber. Back Brillouin scattered light from the optical fiber to be measured is separated into Rayleigh scattered light and Brillouin scattered light by a narrow band optical filter (OBPF), and only the Brillouin scattered light is input to the self-delayed heterodyne interferometer.
図2は、自己遅延ヘテロダイン干渉計の動作を説明するための模式図である。自己遅延ヘテロダイン干渉計では、ブリルアン散乱光(図2中、Iで示す。)が、第1光路及び第2光路に2分岐される。第1光路及び第2光路の一方に光周波数シフタ部が設けられ、他方に遅延部が設けられていて、BFSの変化を位相差として検出する。また、第1光路及び第2光路を伝播する光の間に遅延時間差を与える。合波部は、第1光路及び第2光路を伝播する光(図2中、それぞれ、II,IIIで示す。)を合波して合波光(図2中、IV,Vで示す。)を生成する。 FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation of the self-delay heterodyne interferometer. In the self-delayed heterodyne interferometer, Brillouin scattered light (indicated by I in FIG. 2) is branched into two in a first optical path and a second optical path. An optical frequency shifter unit is provided in one of the first optical path and the second optical path, and a delay unit is provided in the other, and detects a change in BFS as a phase difference. Further, a delay time difference is given between the light propagating through the first optical path and the second optical path. The multiplexing unit multiplexes light propagating through the first optical path and the second optical path (indicated by II and III in FIG. 2, respectively) to generate combined light (indicated by IV and V in FIG. 2). Generate.
自己遅延ヘテロダイン干渉計において、より精度の高い受信を行うためには、第1光路及び第2光路の偏波状態を同一に制御することが重要である。 In the self-delay heterodyne interferometer, in order to perform reception with higher accuracy, it is important to control the polarization states of the first optical path and the second optical path to be the same.
自己遅延ヘテロダイン干渉計における偏波状態の制御は、第1光路及び第2光路の一方に、偏波コントローラを配置し、自己遅延ヘテロダイン干渉計後段のフォトダイオード(PD)からの信号を用いて行われる。このPDからの信号の強度を、局発電気信号と同一周波数帯のバンドパスフィルタ(BPF)を経由して観測し、観測されるピーク(図2中、VIで示す。)の強度が最大となるように偏波が制御される。 Control of the polarization state in the self-delay heterodyne interferometer is performed by using a signal from a photodiode (PD) downstream of the self-delay heterodyne interferometer by arranging a polarization controller in one of the first optical path and the second optical path. Is called. The intensity of the signal from the PD is observed through a bandpass filter (BPF) in the same frequency band as that of the local electrical signal, and the intensity of the observed peak (indicated by VI in FIG. 2) is the maximum. Thus, the polarization is controlled.
ここで、被測定光ファイバには、光損失特性がある。このため、被測定光ファイバからの後方ブリルアン散乱光の観測波形には、光ファイバの光損失特性による強度の傾きが生じる(図3(A)参照)。この結果、観測されるピークは、損失が無い場合(図3(B)中、Iで示す。)に比べて、帯域幅が広く、強度が低下する(図3(B)中、IIで示す。)。従って、正確な偏波制御が困難となる。 Here, the optical fiber to be measured has optical loss characteristics. For this reason, the observed waveform of the backward Brillouin scattered light from the optical fiber to be measured has an intensity gradient due to the optical loss characteristic of the optical fiber (see FIG. 3A). As a result, the observed peak has a wider bandwidth and lower intensity (indicated by II in FIG. 3 (B)) than when there is no loss (indicated by I in FIG. 3 (B)). .) Therefore, accurate polarization control becomes difficult.
この強度の傾きを補償する方法として、OTDRにおいて、光損失特性をあらかじめ参照信号として測定しておき、被測定光ファイバからの散乱光の観測信号と比較する方法がある(例えば、特許文献2参照)。しかし、例えば、光源の出力強度の揺らぎなど、リアルタイムに強度変動が発生する場合、参照信号と観測信号を比較する方法では、正確な比較が難しい。 As a method for compensating for the inclination of the intensity, there is a method in which an optical loss characteristic is measured in advance as a reference signal in OTDR and compared with an observation signal of scattered light from the optical fiber to be measured (see, for example, Patent Document 2). ). However, for example, when intensity fluctuations occur in real time, such as fluctuations in the output intensity of the light source, accurate comparison is difficult with the method of comparing the reference signal and the observation signal.
また、他の方法として、被測定光ファイバからの散乱光を、自己遅延ヘテロダイン干渉計に入力する前に2分岐して、一方を受信信号として用い、他方を光損失特性を補償するための参照信号として用いる方法がある。 As another method, the scattered light from the optical fiber to be measured is branched into two before being input to the self-delay heterodyne interferometer, one is used as a received signal, and the other is used as a reference for compensating for optical loss characteristics. There is a method used as a signal.
しかしながら、上述の自己遅延ヘテロダイン干渉計に入力する前に2分岐して、一方を受信信号として用い、他方を光損失特性を補償するための参照信号として用いる方法では、分岐ロスの影響で受信信号の強度が減少する。 However, in the method of branching into two before inputting to the above-described self-delay heterodyne interferometer and using one as a received signal and using the other as a reference signal for compensating for optical loss characteristics, the received signal is affected by the branch loss. The strength of the decreases.
従って、BOTDRのような微弱なパワーを受信する場合、さらに受信感度を劣化させる原因となってしまう。 Therefore, when weak power such as BOTDR is received, the reception sensitivity is further deteriorated.
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、余計なパワーロスを生じさせることなく、被測定光ファイバの光損失特性を補償する、光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an optical fiber strain measuring device that compensates for optical loss characteristics of an optical fiber to be measured without causing an extra power loss, and An object of the present invention is to provide an optical fiber strain measurement method.
上述した目的を達成するために、この発明の光ファイバ歪み測定装置は、プローブ光を生成する光源部と、プローブ光により被測定光ファイバで発生する後方散乱光から、後方ブリルアン散乱光のストークス成分を分離抽出する第1波長分離フィルタと、ストークス成分の偏波を制御する偏波コントローラを有し、ストークス成分の周波数シフト量の変化を位相差として検出する自己遅延ヘテロダイン干渉計と、第1波長分離フィルタの残留成分から、アンチストークス成分を分離抽出する第2波長分離フィルタを有する偏波制御部とを備えて構成される。偏波制御部は、アンチストークス成分から、参照信号として被測定光ファイバからの損失特性を取得し、自己遅延ヘテロダイン干渉計で得られる観測信号から参照信号を減算し、減算後の観測信号の検波レベルが最大となるように、偏波コントローラを制御する。 In order to achieve the above-described object, an optical fiber strain measuring device according to the present invention includes a light source unit that generates probe light and a Stokes component of backward Brillouin scattered light from back scattered light generated in the measured optical fiber by the probe light. A first wavelength separation filter for separating and extracting the Stokes component, a polarization controller for controlling the polarization of the Stokes component, a self-delay heterodyne interferometer for detecting a change in the frequency shift amount of the Stokes component as a phase difference, and a first wavelength And a polarization controller having a second wavelength separation filter that separates and extracts the anti-Stokes component from the residual component of the separation filter. The polarization controller obtains the loss characteristics from the measured optical fiber as the reference signal from the anti-Stokes component, subtracts the reference signal from the observation signal obtained by the self-delay heterodyne interferometer, and detects the observation signal after subtraction. The polarization controller is controlled so that the level becomes maximum.
また、この発明の光ファイバ歪み測定方法は、プローブ光を生成する過程と、プローブ光により被測定光ファイバで発生する後方散乱光から、後方ブリルアン散乱光のストークス成分を分離抽出する過程と、自己遅延ヘテロダイン干渉計を用いて、ストークス成分の周波数シフト量の変化を位相差として検出する過程と、ストークス成分が分離抽出された残留成分から、アンチストークス成分を分離抽出する過程と、アンチストークス成分から、参照信号として被測定光ファイバからの損失特性を取得する過程と、自己遅延ヘテロダイン干渉計で得られる観測信号から参照信号を減算する過程と、減算後の観測信号の検波レベルが最大となるように、自己遅延ヘテロダイン干渉計が備える偏波コントローラを制御する過程とを備える。 The optical fiber strain measurement method of the present invention includes a process of generating probe light, a process of separating and extracting the Stokes component of the back Brillouin scattered light from the back scattered light generated in the measured optical fiber by the probe light, Using a delay heterodyne interferometer, the process of detecting the change in the frequency shift amount of the Stokes component as a phase difference, the process of separating and extracting the anti-Stokes component from the residual component from which the Stokes component has been separated and extracted, and the anti-Stokes component In order to maximize the detection level of the observation signal after subtraction, the process of obtaining the loss characteristics from the measured optical fiber as the reference signal, the process of subtracting the reference signal from the observation signal obtained by the self-delay heterodyne interferometer And a step of controlling a polarization controller included in the self-delay heterodyne interferometer.
この発明の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よれば、光ファイバの光損失特性による傾きを補償することにより、波形劣化を抑制できるので、測定精度が向上する。また、コヒーレント検波に用いられないアンチストークス成分を参照信号に用いるため、余計なパワーロスを生じさせない。また、後方散乱光を用いるため、リアルタイムに強度変動が発生する場合にも、光損失特性による傾きを補償できる。 According to the optical fiber strain measurement device and the optical fiber strain measurement method of the present invention, it is possible to suppress waveform deterioration by compensating for the tilt due to the optical loss characteristic of the optical fiber, so that the measurement accuracy is improved. In addition, since an anti-Stokes component that is not used for coherent detection is used for the reference signal, no extra power loss occurs. In addition, since backscattered light is used, the tilt due to the light loss characteristic can be compensated even when intensity fluctuations occur in real time.
(第1実施形態)
図1を参照して、この発明の光ファイバ歪み測定装置の一実施形態を説明する。図1は、光ファイバ歪み測定装置の模式的なブロック図である。
(First embodiment)
With reference to FIG. 1, an embodiment of an optical fiber strain measuring apparatus of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic block diagram of an optical fiber strain measuring apparatus.
光ファイバ歪み測定装置(以下、単に測定装置とも称する。)は、光源部10、光サーキュレータ20、第1波長分離フィルタ30、自己遅延ヘテロダイン干渉計40、及び、偏波制御部200を備えて構成される。
An optical fiber strain measuring device (hereinafter also simply referred to as a measuring device) includes a
光源部10は、プローブ光を生成する。光源部10は、連続光を生成する光源12と、連続光から光パルスを生成する光パルス発生器14を備えて構成される。
The
ここで、測定装置は、周波数変化に応じた位相差を測定する。このため、光源12の周波数揺らぎは、ブリルアンシフトよりも十分に小さくなければならない。そこで、光源12として周波数安定化レーザが用いられる。例えば、測定対象となる光ファイバ(以下、被測定光ファイバとも称する。)100の歪みを0.008%としたとき、ブリルアンシフトは4MHzに相当する。このため、0.008%程度の歪みを測定するには、光源12の周波数揺らぎは4MHzより十分に小さいことが望ましい。
Here, the measuring apparatus measures the phase difference according to the frequency change. For this reason, the frequency fluctuation of the
光パルス発生器14は、従来周知である、音響光学(AO:Acoust Optical)変調器又は電気光学(EO:Electric Optical)変調器のような強度変調器を用いて構成される。光パルス発生器14は、入力された電気パルスに応じて、連続光から光パルスを生成する。この光パルスの繰り返し周期は、被測定光ファイバ100を光パルスが往復するのに要する時間よりも長く設定される。この光パルスが、プローブ光として、光源部10から出力される。
The
この光源部10から出力されたプローブ光は、光サーキュレータ20を経て、被測定光ファイバ100に入射される。なお、光サーキュレータ20に換えて、光カプラとアイソレータを組み合わせて用いても良い。
The probe light output from the
被測定光ファイバ100からの後方散乱光は、光サーキュレータ20を経て、第1波長分離フィルタ30に送られる。第1波長分離フィルタ30は、2つの出力ポートを有している。
Backscattered light from the measured
第1波長分離フィルタ30は、後方散乱光から、後方ブリルアン散乱光のストークス成分を分離抽出する。ストークス成分は、第1波長分離フィルタ30の一方の出力ポートから出力され、自己遅延ヘテロダイン干渉計40に送られる。また、第1波長分離フィルタ30は、後方散乱光の残留成分を偏波制御部200に送る。
The first
第1波長分離フィルタ30から出射される自然ブリルアン散乱光の時刻tにおける信号E0(t)は、以下の式(1)で表される。
The signal E 0 (t) at time t of the natural Brillouin scattered light emitted from the first
E0(t)=A0exp{j(2πfbt+φ0)} (1)
ここで、A0は振幅、fbは自然ブリルアン散乱光の光周波数、φ0は初期位相を示している。
E 0 (t) = A 0 exp {j (2πf b t + φ 0 )} (1)
Here, A 0 represents the amplitude, f b represents the optical frequency of the natural Brillouin scattered light, and φ 0 represents the initial phase.
自己遅延ヘテロダイン干渉計40は、分岐部42と、光周波数シフタ部43と、遅延部48と、偏波コントローラ46と、合波部50と、受光部60と、局発電気信号源83と、位相比較部70を備えて構成される。
The self-
局発電気信号源83は、周波数fAOMの電気信号を生成する。
The local
分岐部42は、プローブ光により被測定光ファイバ100で発生する後方ブリルアン散乱光のストークス成分を、第1波長分離フィルタ30を経て受け取り、第1光路及び第2光路に2分岐する。
The branching
光周波数シフタ部43は、第1光路に設けられている。光周波数シフタ部43は、局発電気信号源83で生成された周波数fAOMの電気信号を用いて、第1光路を伝播する光に対して、周波数fAOMの周波数シフトを与える。
The optical
この構成例では、偏波コントローラ46は、第2光路に設けられている。偏波コントローラ46は、偏波制御部200からの指示により第2光路を伝播する光の偏波を制御する。
In this configuration example, the
また、この構成例では、第2光路に遅延部48が設けられている。遅延部48は、第2光路を伝播する光に時間τの遅延を与える。なお、遅延部48は、第2光路を伝播する光に、第1光路を伝播する光に比べて時間τの遅延を与えればよく、その構成は任意である。例えば、偏波コントローラ46が遅延器として機能する場合は、遅延器を別途設けなくてもよい。また、いわゆる遅延線で構成することもできる。
In this configuration example, the
合波部50は、第1光路及び第2光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。合波部50に入射される、第1光路を伝播する光信号E1(t)、第2光路を伝播する光信号E2(t−τ)は、それぞれ、以下の(2)(3)式で表される。
The multiplexing
E1(t)=A1exp{j(2πfbt+2πfAOMt+φ1)} (2)
E2(t−τ)=A2exp[j{2πfb(t−τ)+φ2}] (3)
ここで、A1及びA2は、それぞれE1(t)及びE2(t−τ)の振幅であり、φ1及びφ2は、それぞれE1(t)及びE2(t−τ)の初期位相である。
E 1 (t) = A 1 exp {j (2πf b t + 2πf AOM t + φ 1 )} (2)
E 2 (t−τ) = A 2 exp [j {2πf b (t−τ) + φ 2 }] (3)
Here, A 1 and A 2 is the amplitude of each E 1 (t) and E 2 (t-τ), φ 1 and phi 2 are each E 1 (t) and E 2 (t-τ) Is the initial phase.
受光部60は、合波光をヘテロダイン検波してビート信号を生成する。受光部60は、例えばバランス型フォトダイオードとFET増幅器を用いて構成される。ヘテロダイン検波により与えられるビート信号Iは、以下の式(4)で表される。
The
I12=2A1A2cos{2π(fAOMt+fbτ)+φ1−φ2} (4)
受光部60で生成されたビート信号は2分岐され、一方が第1電気信号として位相比較部70に送られる。また、局発電気信号源83で生成された電気信号は第2電気信号として位相比較部70に送られる。
I 12 = 2A 1 A 2 cos {2π (f AOM t + f b τ) + φ 1 −φ 2 } (4)
The beat signal generated by the
位相比較部70は、第1電気信号と、第2電気信号とをホモダイン検波して、ホモダイン信号を生成する。ここで、第1及び第2電気信号はいずれも周波数fAOMを有するビート信号であるので、これらをホモダイン検波することにより、2πfbτの変化が位相差として出力される。ブリルアン周波数fbは、光源12の発振周波数の揺らぎと被測定光ファイバ100の歪みの2つの要因によって変化する。しかし、光源12として周波数安定化レーザを用いることで、被測定光ファイバ100の歪みによる影響が支配的となる。ここで位相比較部70はパーソナルコンピュータ(PC)で構成されるが、アナログデバイスで構成しても良い。
The
なお、受光部60で生成されたビート信号が2分岐された他方は、偏波制御部200に送られる。
Note that the other of the two beat signals generated by the
偏波制御部200は、参照信号用遅延器202、第2波長分離フィルタ204、光電変換器206、ローパスフィルタ(LPF)208、第1アナログーデジタル変換器(ADC)210、第2ADC212、減算器214、FFT216、バンドパスフィルタ(BPF)218と、強度測定器220及び制御器222を備えて構成される。
The
第1波長分離フィルタ30から偏波制御部200に送られた信号は、参照信号用遅延器202、第2波長分離フィルタ204、光電変換器206、LPF208、及び、第1ADC210を経て減算器214に送られる。また、自己遅延ヘテロダイン干渉計40から偏波制御部200に送られた信号は、第2ADC212を経て減算器214に送られる。
The signal sent from the first
参照信号用遅延器202は、第1ADC210及び第2ADC212をそれぞれ経た信号のタイミングを合わせるために用いられる。参照信号用遅延器202は、第2光路に設けられる遅延部48と同様に構成することができる。
The reference
第2波長分離フィルタ204は、第1波長分離フィルタ30で、ストークス成分が分離抽出された残留成分から、アンチストークス成分を取り出し、光電変換器206に送る。第1波長分離フィルタ30と第2波長分離フィルタ204は、それぞれストークス成分とアンチストークス成分を取り出す点、すなわち、波長帯域が異なるだけで、それ以外は同様に構成することができる。
The second
第2波長分離フィルタ204で取り出されたアンチストークス成分は、光電変換器206で電気信号に変換され、LPF208に送られる。
The anti-Stokes component extracted by the second
LPF208は、光強度信号の包絡線の傾き(強度の傾き)を検出する。検出された強度の傾きは、光損失特性を示す参照信号として、第1ADC210に送られる。
The
また、自己遅延ヘテロダイン干渉計40から偏波制御部200に送られた信号は、観測信号として第2ADC212に送られる。
Further, the signal sent from the self-
減算器214は、第1ADC210及び第2ADC212をそれぞれ経た信号を減算する。すなわち、減算器214は、観測信号から参照信号を減算することにより、光損失特性を補償する。減算器214で減算された観測信号は、FFT216を経てBPF218に送られる。BPF218の透過周波数帯は、局発電気信号源83で生成された電気信号と同一である。
The
強度測定器220は、BPF218を経て受け取った信号の検波レベル(ピーク強度)を測定する。強度測定器220は、電気信号の強度を測定する機能を有していればよく、任意好適な従来周知の構成にすることができる。
The
制御器222は、強度測定器220の測定結果に基づいて、ピーク強度が最大となるように偏波コントローラ46を制御する。なお、制御器222は、強度測定器220又は偏波コントローラ46と一体に構成してもよい。
The
ここでは、受光部60で生成されたビート信号が2分岐された他方が、偏波制御部200に送られる例を説明したが、2分岐される箇所はこれに限定されない。受光部60の前段で2分岐して、一方を受光部60に送り、他方を偏波制御部200に送る構成にしてもよい。この場合は、自己遅延ヘテロダイン干渉計40から偏波制御部200に送られた光信号を電気信号に変換する光電変換器が別途設けられる。
Here, an example has been described in which the other of the two beat signals generated by the
この測定装置によれば、光ファイバの光損失特性による傾きを補償することにより、波形劣化を抑制できるので、測定精度が向上する。また、コヒーレント検波に用いられないアンチストークス成分を参照信号に用いるため、余計なパワーロスを生じさせない。また、後方散乱光を参照信号として用いるため、リアルタイムに強度変動が発生する場合にも、光損失特性による傾きを補償できる。 According to this measuring apparatus, since the waveform deterioration can be suppressed by compensating for the inclination due to the optical loss characteristic of the optical fiber, the measurement accuracy is improved. In addition, since an anti-Stokes component that is not used for coherent detection is used for the reference signal, no extra power loss occurs. In addition, since backscattered light is used as a reference signal, even when an intensity fluctuation occurs in real time, it is possible to compensate for the tilt due to the light loss characteristic.
(他の構成例)
上述した実施形態では、自己遅延ヘテロダイン干渉計40の2つの光路の一方に、光周波数シフタ部を備える例を説明したが、これに限定されない。例えば、第1光路に、第1周波数f1の周波数シフトを与える第1光周波数シフタ部を設け、第2光路に、第2周波数f2(≠f1)の周波数シフトを与える第2光周波数シフタ部を設けても良い。この場合、局発電気信号源も、第1周波数f1の電気信号を生成するものと、第2周波数f2の電気信号を生成するものと2つ用意すればよい。また、第2電気信号は、これら2つの電気信号の差周波数成分を用いることができる。
(Other configuration examples)
In the above-described embodiment, the example in which the optical frequency shifter unit is provided in one of the two optical paths of the self-
10 光源部
12 光源
14 光パルス発生器
20 光サーキュレータ
30 第1波長分離フィルタ
40 自己遅延ヘテロダイン干渉計
42 分岐部
43 光周波数シフタ部
46 偏波コントローラ
48 遅延部
50 合波部
60 受光部
70 位相比較部
72 ローパスフィルタ(LPF)
83 局発電気信号源
100 被測定光ファイバ
200 偏波制御部
202 参照信号用遅延器
204 第2波長分離フィルタ
206 光電変換器
208 LPF
210 第1ADC
212 第2ADC
214 減算器
216 FFT
218 BPF
220 強度測定器
222 制御器
DESCRIPTION OF
83 Local
210 First ADC
212 Second ADC
214
218 BPF
220
Claims (5)
前記プローブ光により被測定光ファイバで発生する後方散乱光から、後方ブリルアン散乱光のストークス成分を分離抽出する第1波長分離フィルタと、
前記ストークス成分の偏波を制御する偏波コントローラを有し、前記ストークス成分の周波数シフト量の変化を位相差として検出する自己遅延ヘテロダイン干渉計と、
前記第1波長分離フィルタの残留成分から、アンチストークス成分を分離抽出する第2波長分離フィルタを有する偏波制御部と
を備え、
前記偏波制御部は、
前記被測定光ファイバの損失特性を示す参照信号を、前記アンチストークス成分から取得し、
前記自己遅延ヘテロダイン干渉計で得られる観測信号から前記参照信号を減算し、及び、
前記減算後の観測信号の検波レベルが最大となるように、前記偏波コントローラを制御する
ことを特徴とする光ファイバ歪み測定装置。 A light source unit for generating probe light;
A first wavelength separation filter that separates and extracts a Stokes component of the back Brillouin scattered light from the back scattered light generated in the measurement optical fiber by the probe light;
A self-delay heterodyne interferometer that has a polarization controller that controls the polarization of the Stokes component, and detects a change in the frequency shift amount of the Stokes component as a phase difference;
A polarization controller having a second wavelength separation filter that separates and extracts an anti-Stokes component from a residual component of the first wavelength separation filter;
The polarization controller is
A reference signal indicating loss characteristics of the optical fiber to be measured is acquired from the anti-Stokes component,
Subtracting the reference signal from the observation signal obtained with the self-delayed heterodyne interferometer; and
The optical fiber distortion measuring apparatus, wherein the polarization controller is controlled so that a detection level of the observation signal after the subtraction is maximized.
前記第1波長分離フィルタの残留成分に所定の遅延を与えて、前記第2波長分離フィルタに送る参照信号用遅延器と、
前記アンチストークス成分の光を光電変換する光電変換器と、
前記光電変換された信号から強度の包絡線を前記参照信号として取得するローパスフィルタと
を備えることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ歪み測定装置。 The polarization controller is
A reference signal delay device that gives a predetermined delay to a residual component of the first wavelength separation filter and sends the residual component to the second wavelength separation filter;
A photoelectric converter that photoelectrically converts the light of the anti-Stokes component;
A low-pass filter that obtains an envelope of intensity from the photoelectrically converted signal as the reference signal;
The optical fiber strain measuring apparatus according to claim 1, comprising:
前記後方ブリルアン散乱光を、第1光路及び第2光路に2分岐する分岐部と、
前記第1光路及び前記第2光路のいずれか一方に設けられた、ビート周波数の周波数シフトを与える光周波数シフタ部と、
前記第1光路及び前記第2光路のいずれか一方に設けられた遅延部と、
前記第1光路及び前記第2光路を伝播する光を合波して合波光を生成する合波部と、
前記合波光をヘテロダイン検波して差周波を第1電気信号として出力する受光部と、
前記第1電気信号と同じ周波数を持つ第2電気信号を生成する局発電気信号源と、
前記第1電気信号と前記第2電気信号とをホモダイン検波して、差周波を位相差信号として出力する位相比較部と
を備え、
前記合波光又は前記第1電気信号を前記観測信号として前記偏波制御部に送る
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光ファイバ歪み測定装置。 The self-delay heterodyne interferometer is
A branching portion for bifurcating the rear Brillouin scattered light into a first optical path and a second optical path;
An optical frequency shifter for providing a frequency shift of a beat frequency, provided in one of the first optical path and the second optical path;
A delay unit provided in one of the first optical path and the second optical path;
A multiplexing unit that combines the light propagating through the first optical path and the second optical path to generate combined light;
A light receiving unit that heterodyne detects the combined light and outputs a difference frequency as a first electrical signal;
A local electrical signal source for generating a second electrical signal having the same frequency as the first electrical signal;
A phase comparison unit that performs homodyne detection of the first electric signal and the second electric signal and outputs a difference frequency as a phase difference signal;
The optical fiber distortion measuring apparatus according to claim 1 or 2, wherein the combined light or the first electric signal is sent to the polarization control unit as the observation signal.
前記後方ブリルアン散乱光を、第1光路及び第2光路に2分岐する分岐部と、
前記第1光路に設けられた、第1周波数の周波数シフトを与える第1光周波数シフタ部と、
前記第2光路に設けられた、第2周波数の周波数シフトを与える第2光周波数シフタ部と、
前記第1光路及び前記第2光路のいずれか一方に設けられた遅延部と、
前記第1光路及び前記第2光路を伝播する光を合波して合波光を生成する合波部と、
前記合波光をヘテロダイン検波して差周波を第1電気信号として出力する受光部と、
前記第1電気信号と同じ周波数を持つ第2電気信号を生成する局発電気信号源と、
前記第1電気信号と前記第2電気信号とをホモダイン検波して、差周波を位相差信号として出力する位相比較部と
を備え、
前記合波光又は前記第1電気信号を前記観測信号として前記偏波制御部に送る
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光ファイバ歪み測定装置。 The self-delay heterodyne interferometer is
A branching portion for bifurcating the rear Brillouin scattered light into a first optical path and a second optical path;
A first optical frequency shifter provided in the first optical path for giving a frequency shift of a first frequency;
A second optical frequency shifter provided in the second optical path for giving a frequency shift of a second frequency;
A delay unit provided in one of the first optical path and the second optical path;
A multiplexing unit that combines the light propagating through the first optical path and the second optical path to generate combined light;
A light receiving unit that heterodyne detects the combined light and outputs a difference frequency as a first electrical signal;
A local electrical signal source for generating a second electrical signal having the same frequency as the first electrical signal;
A phase comparison unit that performs homodyne detection of the first electric signal and the second electric signal and outputs a difference frequency as a phase difference signal;
The optical fiber distortion measuring apparatus according to claim 1 or 2, wherein the combined light or the first electric signal is sent to the polarization control unit as the observation signal.
前記プローブ光により被測定光ファイバで発生する後方散乱光から、後方ブリルアン散乱光のストークス成分を分離抽出する過程と、
自己遅延ヘテロダイン干渉計を用いて、前記ストークス成分の周波数シフト量の変化を位相差として検出する過程と、
前記ストークス成分が分離抽出された残留成分から、アンチストークス成分を分離抽出する過程と、
前記アンチストークス成分から、参照信号として被測定光ファイバからの損失特性を取得する過程と、
前記自己遅延ヘテロダイン干渉計で得られる観測信号から前記参照信号を減算する過程と、
前記減算後の観測信号の検波レベルが最大となるように、前記自己遅延ヘテロダイン干渉計が備える偏波コントローラを制御する過程と
を備えることを特徴とする光ファイバ歪み測定方法。 A process of generating probe light;
Separating and extracting the Stokes component of the back Brillouin scattered light from the back scattered light generated in the optical fiber to be measured by the probe light;
Detecting a change in the amount of frequency shift of the Stokes component as a phase difference using a self-delay heterodyne interferometer;
Separating and extracting the anti-Stokes component from the residual component from which the Stokes component has been separated and extracted;
From the anti-Stokes component, obtaining a loss characteristic from the measured optical fiber as a reference signal;
Subtracting the reference signal from the observation signal obtained with the self-delayed heterodyne interferometer;
And a step of controlling a polarization controller included in the self-delay heterodyne interferometer so that the detection level of the observation signal after the subtraction is maximized.
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CN111006701A (en) * | 2019-12-30 | 2020-04-14 | 暨南大学 | Bipolar Differential Phase Encoding Ultra High Spatial Resolution Brillouin Optical Time Domain Reflectometer |
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