振动测量器及振动测量方法

技术领域

本公开涉及用于进行DAS-P的振动测量器及振动测量方法。

背景技术

作为在光纤长度方向分布地测量施加在光纤上的物理振动的手段，已知有被称为DAS(Distributed Acoustic Sensing)的方法(非专利文献1)，该方法向被测量光纤入射脉冲试验光，检测瑞利散射引起的后向散射光。

在DAS中，对施加在光纤上的物理振动引起的光纤的光路长度变化进行捕捉，进行振动的传感检测。通过检测振动，可以检测被测量光纤周边的物体的运动等。

作为DAS中的后向散射光的检测方法，有对来自被测量光纤的各地点的散射光强度进行测量，并观测散射光强度的时间变化的方法，被称为DAS-I(DAS-intensity)。DAS-I具有装置结构简便的特征，但由于无法根据散射光强度定量地计算振动引起的光纤的光路长度变化，因此是定性的测量方法(非专利文献2)。

另一方面，也在研究开发DAS-P(DAS-phase)，该方法是对来自被测量光纤的各地点的散射光的相位进行测量而观测相位的时间变化的方法。DAS-P装置结构和信号处理比DAS-I复杂，但由于相位相对于振动引起的光纤的光路长度变化而线性变化，其变化率在光纤长度方向上也相同，因此可以进行振动的定量测量，能够忠实地再现施加在被测量光纤上的振动(例如，非专利文献2)。

在DAS-P的测量中，将脉冲光入射到被测量光纤，在入射脉冲光的时刻t，在光纤的长度方向分布地测量被散射的光的相位。也就是说，设离光纤的入射端的距离l，测量散射光的相位θ(l、t)。通过使脉冲光以时间间隔T重复入射到被测量光纤，从而对于被测量光纤的长度方向的各点，测量在时刻t＝nT被散射的光的相位的时间变化θ(l、nT)，其中n为整数。但实际上，对距离l的地点进行测量的时刻比入射脉冲的时刻只延迟了脉冲光从入射端传播到距离l的时间。另外，要注意的是，用测量器测量的时刻只延迟了散射光返回到入射端所需的时间。已知对从距离l到距离l+δl的区间施加的物理振动在各时刻nT的大小与距离l+δl处的相位θ(l+δl、nT)和距离l处的相位θ(l、nT)之间的差θ(l、nT)成比例。也就是说，若以时刻零为基准，则满足下式。

[数学式1]

作为用于检测散射光的相位的装置结构，有直接用光电二极管等对来自被测量光纤的后向散射光进行检波的直接检波的结构、使用与另外准备的参照光合波而进行检测的相干检波的结构(例如，非专利文献1)。

在进行相干检波并计算相位的机构中，细分为使用希尔伯特变换以软件为基础进行处理的机构和使用90度光混频器以硬件为基础进行处理的机构这两种，但在任何一种方法中，都获取散射光的同相分量l(l、nT)和正交分量Q(l、nT)，通过下式计算相位。

[数学式2]

其中，4象限反正切算子Arctan的输出值以弧度为单位在(-π，π]的范围内，设m为任意的整数，2mπ+θ(l、nT)在xy平面上全部成为相同的矢量方向，因此只有2mπ的不确定性存在于上述计算的θ

[数学式2-1]

在上式大于π弧度情况下，选择适当的整数q，使得下式小于π弧度，

[数学式2-2]

并将展开后的相位θ

[数学式3]

上标unwrap表示展开后的相位。另外，作为实际的分布振动测量中的计算步骤，大多在计算式(1)那样的地点间的相位值的差分后，对计算出的差分实施相位展开处理。

在DAS的测量中，存在用于检测光的PD(Photo Diode)的热噪声、其后的电路段中的噪声、光引起的散粒噪声等测量器的噪声。因此，测量的散射光的强度和相位也会受到测量器的噪声的影响。

特别是，在测量散射光的相位的情况下，如果测量器的噪声的影响变大，则不仅相位的不确定性增加，而且与没有噪声的情况下的理想相位值相比，获得大不相同的测量值的概率也变大。

例如，在相干检波的情况下，关于以同相分量为横轴、以正交分量为纵轴时所测量的散射光的矢量，没有噪声时的矢量的方向与要测量的相位相对应，但如果噪声的影响大，则矢量的方向朝向相反的方向，与没有噪声的情况下的理想相位值相比，实际测量的相位值取π弧度左右不同的值的概率变大。在这一点中会导致：根据式(1)计算振动的大小时，误认为有大的物理力施加到光纤上。此外，如果噪声的影响变大，则在式(3)所示的展开处理中，错误选择整数q的点增加，在错误选择的点前后会产生2π以上的实际上并不存在的相位值的差异。这样的相位值的差异也会导致：根据式(1)计算振动的大小时，误认为有大的物理力施加到光纤上。

为了准确测量相位，需要降低测量器的噪声的影响。测量器的噪声的影响变大是因为，测量器的噪声在各地点以及各时刻被视为相同程度时，散射光的强度本身变小；因此，如果在各地点以及各时刻使散射光的强度变大，则能够降低测量器的噪声的影响。

散射光强度本身变小的原因不仅仅是因为作为探测的脉冲光在被测量光纤中传播而产生的吸收和散射引起的损失。由于将具有有限的时间宽度的脉冲光入射到被测量光纤，并检测脉冲光的散射，因此，会发生来自分布在被测量光纤上的非常细的多个散射体的散射光的干涉。作为干涉的结果，根据各时刻散射体在被测量光纤的长度方向上的分布，会产生散射光强度变小的地点。该现象被称为衰落(非专利文献3)。

因此，在测量DAS-P中的散射光的相位的情况下，为了降低测量器的噪声的影响，存在着需要防止由于衰落而在各时刻产生散射光的强度变小的地点的问题。

作为解决该问题的手段，有单纯地增大入射的光脉冲的峰值强度的方法。但是，若增大光脉冲的峰值强度，则光脉冲在被测量光纤中传输时会产生非线性光学效应，脉冲光的特性会随着被测量光纤的传输而变化。因此，可入射的光脉冲的峰值强度受到限制，有时不能充分解决上述问题。

为了解决上述问题，提出了一种相位测量方法以及信号处理装置(专利文献1)，在测量DAS-P中的散射光的相位时，能够不增大入射的光脉冲的峰值强度而降低测量器的噪声的影响。

为了解决上述问题，在专利文献1中，以能够忽略振动引起的光纤状态的变化的时间间隔，将对不同的光频率成分的脉冲进行排列并波长复用后的脉冲光入射到被测量光纤；创建将来自被测量光纤的各波长的散射光绘制在以同相分量为横轴、以正交分量为纵轴的二维平面上而得到散射光矢量；将创建的散射光矢量在被测量光纤上的各地点处按每个波长进行旋转而使方向一致；将方向一致的矢量彼此相加求平均值，生成新的矢量；使用生成的新的矢量的同相分量和正交分量的值计算相位。

在DAS-P的测量中，还存在着在测量距离和可测量的振动频率的上限之间发生权衡的问题。在使用单一频率的光脉冲的情况下，若测量距离变长，则来自远端的散射光返回的时刻相对于脉冲入射时刻延迟。因此，来自远端的散射光和入射下一光脉冲时来自入射端附近的散射光不会合波干涉，因而入射光脉冲的重复频率存在上限。因此，根据采样定理，关于比重复频率1/2倍的奈奎斯特频率大的振动频率的振动，由于混叠而存在无法正确测量的问题。

非专利文献4作为上述问题的解决方法而被提出。为了解决上述问题，在非专利文献4中，将对不同光频率成分的脉冲在时间上以等间隔排列并进行波长复用而得到的脉冲光入射到被测量光纤；创建将来自被测量光纤的各波长的散射光绘制在以同相分量为横轴、以正交分量为纵轴的二维平面上而得到散射光矢量。使用得到的散射光矢量计算相位。若将在单一光频率的情况下，根据测量距离确定的采样率上限设为f

其中，在进行非专利文献4所记载的频率复用的方法时，若不对各光频率间的角度差进行校正，而是简单地连结在各光频率下得到的散射光矢量的角度来计算相位变化，则会产生计算出的相位变化相对于实际的相位变化失真的问题，无法测量正确的振动波形。为了应对该上述问题，非专利文献4中提出了如下的方法：首先分别计算出各光频率的时间相位差分，然后将计算出的各光频率的所述相位差分连结起来，从而即使是所述单一频率的情况下的振动频率超过奈奎斯特频率f

作为针对该上述问题的对策，非专利文献5中提出了一种测量方法，通过使用校正频率对所述各光频率间的角度差进行校正，能够在将采样率上限提高到N×f

此外，在测量距离与可测量振动频率的上限的权衡中，由于需要正确进行相位展开，因此还要加上更加严格的条件。由于在用相邻的光脉冲进行采样时的相位变化的大小的绝对值变化大于π的情况下，无法唯一地进行相位展开，因此，会导致相位展开的失败(非专利文献6)。

因此，相邻采样点的相位变化大小绝对值的上限产生了π这一限制。因此，即使在奈奎斯特频率以下的范围内，振动频率越高，相邻采样点的相位变化量也越大，从而，若振动振幅变大，则可测量的振动频率的上限就会产生更多的条件。非专利文献5中记载的提案方法能够测量振动波形，因此对这种限制的缓和也有效。

此外，在非专利文献5中，为了同时实施提高所述采样率而在不同时刻入射不同光频率的脉冲的频率复用的方法、和为了应对衰落的专利文献1中记载的频率复用的方法，还提出了光频率脉冲的配置方法和接收信号处理方法。

另外，相位变化的大小与因振动而施加在光纤上的应变量的关系，例如在非专利文献7中进行了说明。根据非专利文献7，当全长l的光纤因应变量ε而延伸了Δ1时，因延伸了Δ1的量而引起的光通过时的相位变化的增加量Δφ如下式所示。

[数学式4]

其中，k＝2πn/λ为传播常数，n为光纤有效折射率，μ

[数学式5]

其中，K＝4.6×10

在非专利文献5中，为了提高采样率而在不同时刻入射不同光频率的脉冲。此时，如果使用单纯的矩形波作为脉冲外形，则各光频率成分的散射光所占有的波段为sinc函数形状，因此存在旁瓣。由于旁瓣，会产生各光频率成分的散射光所占有的频带彼此重合的串扰。由于该上述串扰，在某一光频率成分fm的散射光的信号中，相加了在其他时刻入射的其他光频率成分fn的散射光的旁瓣内的、光频率fm附近的频带的成分，两者无法通过数字带通滤波器等分离。所述两者的成分在以散射光的同相分量为横轴、以正交分量为纵轴的平面上的矢量状态下被相加。由于是以矢量状态进行相加，因此存在在实际产生振动的部位以外的区间产生振动误检测的问题。此外，还会产生振动部位处振动波形相对于实际波形失真的现象，以及无法完全使用补偿光频率对上述角度差进行校正的影响。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2020-169904号公报

非专利文献

非专利文献1：Ali.Masoudi，T.P.Newson，″Contributed Rview：Distributedoptical fibre dynamic strain sensing.″Review ofScientific Instruments，vol.87，pp011501(2016)。

非专利文献2：西口宪一、李哲贤、古吉夸塔、横山光德、增田欣增，“基于光纤分布式声波传感器的试制及其信号处理”信学技术报，115(202)，pp29-34(2015)。

非专利文献3：G.Yang等，″Long-Range Distributed Vibration Sensing Basedon Phase Extraction from Phase-Sensitive OTDR,″IEEE Photonics Journal，vol.8，no.3，2016。

非专利文献4：D.Iida，K.Toge，T.Manabe,′Distributed measurement ofacoustic vibration location with frequency multiplexed phase-OTD′，Opt.FiberTechnol.，2017，36，pp19-25，DOI：10.1016/j.yoffe.2017.02.005。

非专利文献5：Y.Wakisaka，D.Iida和H.Oshida，“Distortion-SuppressedSampling Rate Enhancement in Phase-OTDR Vibration Sensing with Newly DesignedFDM Pulse Sequence for Correctly Monitoring Various Waveforms,”2020OpticalFiber Communications Conference and Exhibition(OFC)，SanDiego，CA，USA，2020，PP.1-3。

非专利文献6：Maria Rosario Fernandez-Ruiz，Hugo F.Martins，″Steady-Sensitivity Distributed Acoustic Sensors,″J.Lightwave Technol.36，5690-5696(2018)

非专利文献7：C.D.Butter和G.B.Hocker，″Fiber optics strain gauge,″Appl.Opt.17，2867-2869(1978)

非专利文献8：A.E.Alekseev等，″Fidelity ofthe dual-pulse phase-OTDRresponse to spatially distributed extema lperturbation，”LaserPhys.29，055106(2019)

发明内容

发明要解决的问题

本公开的目的在于，降低不同的光频率成分之间的串扰，从而减少振动的误检测和振动波形的失真。

解决问题所采用的手段

本公开通过使入射到被测量光纤的光脉冲外形在频域中为旁瓣小的波形，抑制了各光频率成分的散射光所占有的频带彼此重合的程度，减少在因上述串扰而产生的振动实际产生的部位以外的区间的振动的误检测等问题。

具体地，在频率复用相位OTDR中使用与矩形波相比频谱旁瓣更小的的波形，诸如作为各光频率成分的脉冲外形是升余弦(Raised-Cosine)波等。

更具体地，本公开的振动测量器及振动测量方法，

在将光频率不同的多个光脉冲重复入射到光纤以进行DAS-P的测量器中，

使用具有与矩形波相比频谱旁瓣更小的波形的所述光脉冲，作为所述多个光脉冲。

发明效果

根据本公开，能够降低不同的光频率成分之间的串扰，从而能够减少振动的误检测和振动波形的失真。

附图说明

图1是说明本实施方式的用DAS-P进行振动检测的振动检测系统的图。

图2表示脉冲模式的结构例。

图3表示各光频率成分的脉冲外形为矩形波形状的情况下产生的串扰的一例。

图4表示散射光信号中所包含的旁瓣的一例。

图5表示主信号成分和串扰成分的一例。

图6表示本公开的各光频率脉冲的时间波形的一例。

图7表示本公开中使用的脉冲序列的一例。

图8表示用SSB调制器的光脉冲的生成例。

具体实施方式

以下，将参照附图详细地说明本公开的实施方式。另外，本公开不限于以下所示的实施方式。这些实施的例子仅仅是示例，本公开能够基于本领域技术人员的知识，以实施各种改变、改良的方式来实施。另外，在本说明书以及附图中，附图标记相同的构成要素表示彼此相同的构成要素。

(实施方式一)

图1是说明本实施方式的用DAS-P进行振动检测的振动检测系统的图。本振动检测系统具备：光源，将频率复用后的光脉冲序列入射到被测量光纤的一端；受光器，接收返回到所述被测量光纤的所述一端的各波长的散射光；和，信号处理部，将所述被测量光纤的振动作为所述散射光的相位成分的时间变化进行观测。

振动测量器31具备：CW光源1、耦合器2、光调制器3、90度光混频器7以及平衡检测器(13、14)。CW光源1、耦合器2以及光调制器3相当于所述光源。90度光混频器7以及平衡检测器(13、14)相当于所述受光器。所述受光器使用90度光混频器7进行相干检波。信号处理装置17相当于所述信号处理部。但是，接收系统不一定需要使用90度光混频器，只要能够测量散射光的同相分量和正交分量，也可以使用其他装置和信号处理。此外，本公开的信号处理装置17能够通过计算机或程序实现，既可以将程序存储于存储介质中，也可以通过网络提供。

振动测量器31如下地测量来自被测量光纤6的散射光。从CW光源1射出光频率为f

设主脉冲中使用的光频率成分为f

此处，由于将所述补偿光频率f

如果将脉冲对彼此的间隔设为T

在图1中，光调制器3的种类只要能够生成光脉冲4就没有具体限定，有时数量是多个。例如，可以使用SSB(Single Side Band，单边带)调制器或频率可变的AO(Acousto-Optics，声光)调制器等，为了进一步增大脉冲化中的消光比，也可以执行SOA(Semiconductor Optical Amplifier，半导体光放大器)等的强度调制。另外，虽然204所示的各光频率成分的脉冲为矩形波形状，但是也可以使用矩形波以外的波形。

光脉冲4经由循环器5入射到被测量光纤6。在被测量光纤6的长度方向的各点被散射的光作为后向散射光返回循环器5，入射到90度光混频器7的一个输入部。由耦合器2分支后的参考光入射到90度光混频器7的另一个输入部。

90度光混频器7的内部结构只要具备90度光混频器的功能即可，可以是任意的。结构例在图1中示出。后向散射光入射到50∶50分支比的耦合器8中，2分支后的散射光入射到50∶50分支比的耦合器12和50∶50的耦合器11的输入部中。参考光入射到50：50的分支比的耦合器9，2分支后的参考光中的一个入射到耦合器11的输入部，另一个由移相器10将相位偏移π/2并入射到耦合器12的输入部。

耦合器11的2个输出由平衡检测器13检测，输出模拟的同相分量I

电信号15和电信号16被发送到具备能够无混叠地对信号的频带进行采样的AD(Anlog to Digital，模拟到数字)转换元件17a和AD转换元件17b的信号处理装置17。在信号处理装置17中，对于从AD转换元件17a和AD转换元件17b输出的数字化的同相分量I

信号处理部17d基于通过信号处理部17c获得的I

[数学式1-1]

将入射脉冲对k的开头的时刻设为k×T

[数学式1-2]

在本实施方式中，使用满足mT

[数学式1-3]

然后，将被测量光纤6上的从距离z

[数学式1-3a]

另外，由于对被测量光纤6的状态进行测量的瞬间的时刻如上所述地不包莒散射光返回入射端所需的时间，因此，在距离z

但是，θ(z，mT

[数学式1-4]

i，j是任意正整数；其中，i＜j。

在作为示例使用的脉冲对的光频率的组合203中，由于将光频率f

首先，对于如非专利文献5所记载的各光频率成分的脉冲外形为图2的204所示的矩形波形状的情况下，无法确定振动位置的问题进行说明。为了简化，描述了M为1的情况，但M为任意数的情况下也成立。M为1时的脉冲序列为图3的301。为了对散射光进行说明，只表示了f

此处，考虑在振动位置306产生振动的情况。将串扰成分在本信号成分的前方处重叠的区间作为重叠区间307，考虑在区间307上的任意位置308处所计算的相位。将位置308离入射端的距离设为l。如图5所示，主信号成分和串扰成分在以横轴为同相分量且以纵轴为正交分量的平面上，以矢量状态合成，成为观测矢量。也就是说，若设距离l处时刻T的观测矢量为r

[数学式1-5]

r

需要注意的是，在数学式(1-5)中，串扰成分离入射端的距离的值变为l’，与l不同。这是因为，串扰成分与接收主信号成分的时刻不同，并且与串扰成分的不同位置309对应的矢量跟与主信号成分的位置308对应的矢量重叠。如图3在光纤上的位置关系310所示，位置308在振动位置306的前方，而位置309在振动位置306的后方。如图5所示，考虑从时间T的状态501到时间T’的状态502的变化，由于位置308是在振动位置306之前的地点，因此主信号成分的矢量没有变化。另一方面，由于位置309位于振动位置306的后方，因此串扰成分因振动而产生角度变化。结果是，观测矢量的角度也发生变化。若将观测矢量r

[数学式1-6]

θ

数学式(1-6)的变化量不仅取决于在振动位置306产生的振动的大小，还取决于主信号成分的矢量和串扰成分的矢量的长度、以及两个矢量的角度差。考虑到矢量的长度和角度因衰落效果而每个位置都变化，数学式(1-6)的角度的变化量随距离l而变化。例如，若在比位置308靠后δl的位置上的角度变化也在重叠区间307内，则可以考虑同样的情况。

若假设如状态503和状态504那样地矢量的长度和角度发生了变化的状况，则即使串扰成分的旋转角度本身离入射端的距离在l’和l’+δl中相同，作为观测矢量的角度变化θ

因此，为了提高采样率的频率复用技术一般会产生在振动部位以外处也能观测到振动的问题。该影响在以下情况下特别显著：为了提高空间分辨率而使用时间宽度细的脉冲，从而频域中的各光频率成分所占的频带变宽的情况；需要在有限的频带中复用非常多的光频率成分的情况等。此外，在上述示例中，提到了在因串扰引起的振动部位以外也能观测到振动的问题，但考虑到主信号成分和串扰成分在以横轴为同相分量且以纵轴为正交分量的平面上在矢量状态合成而成为观测矢量这一点，通过同样地考虑可知，还会产生振动部位处振动波形相对于实际波形失真的现象以及无法完全对使用了补偿光频率的所述角度差进行校正的影响。

在本实施方式示例中，提出了通过使各光频率成分的脉冲形状成为平滑变化的外形来解决由所述串扰引起的所述问题的方法。图6的610表示本提案中使用的各光频率脉冲的时间波形。表示与载波频率相乘之前的电场的包络线的外形。波形601是在非专利文献5中亦被使用的以往的矩形波的形状，波形602表示在本公开中使用的波形的形状。波形形状只要能够抑制串扰的波形即可，并不限定于特定的形状，例如能够使用升余弦波形。波形602以升余弦波形为例而表示。通过使脉冲的半值全宽603与矩形波的情况相同，能够保持振动测量装置的空间分辨率相同，还能够防止信号的SN比的劣化。频域中的功率密度在620示出。相对于矩形波情况下的604，可知在升余弦波形的情况下的605中，旁瓣被抑制，能够减小所述串扰的大小。因此，使用升余弦波形的情况下的脉冲序列为图7中的外形701。通过使用701所示脉冲序列，能够减小所述串扰成分的矢量长度，因此，在不改变相位计算的信号处理方法等的情况下，能够降低伴随所述串扰而在振动部位以外处也观测到振动的问题、振动部位处振动波形相对于实际波形失真的现象的发生、无法完全对使用了补偿光频率的所述角度差进行校正的影响。

参照图8，对使用SSB调制器的光脉冲的生成方法的一例进行说明。这是对于SSB调制器801提供调制信号802以调制连续光而创建光脉冲对803的示例。如果将提供的调制信号802设为使得各调制频率成分的包络线具有升余弦波形的外形，则各光频率成分的电场的大小也能具有平滑变化的外形。

在调制信号802的调制频率例如排列f

关于测量的分辨率，也能够设为：使得调制信号802的各调制频率成分的包络线即升余弦波形的FWHM(Half Width at Half Maximum，半峰半宽)近似地与脉冲对的电场的大小803的各光频率成分的FWHM一致。例如，信号处理部17c中的带通滤波器的通带宽度由升余弦波形的FWHM来确定。但是，关于分辨率，也可以考虑SSB的特性而调整升余弦波形的FWHM等来决定。

另外，关于频率复用时各主光频率的选定，在可能的情况下，通过选定为使其他脉冲对中所包含的主光频率的主瓣的中心位于图6的606所示的各主光频率的旁瓣的谷的位置，能够减小所述旁瓣引起的串扰的影响。

另外，适用于本公开的光脉冲对并不限于图2所记载的结构，而是能够使用所有利用频率复用以提高采样率的手段。

(公开的效果)

根据本公开，在非专利文献5所记载的在不同时刻入射不同的光频率成分的光频率复用型相位OTDR中，使用以升余弦波为代表的频谱旁瓣小的波形来代替以往的矩形波以作为各光频率成分的脉冲外形，减小了不同光频率成分之间的串扰，抑制振动部位以外处振动的误检测，并且减少振动部位处振动波形相对于实际的振动波形失真的现象的发生、减少无法完全对使用了补偿光频率的所述角度差进行校正的影响。

产业上的可应用性

本公开能够应用于信息通信产业。

附图标记说明

1：CW光源

2：耦合器

3：光调制器

4：光脉冲

5：循环器

6：被测量光纤

7：90度光混频器

8、9：耦合器

10：移相器

11、12：耦合器

13、14：平衡检测器

15：模拟的同相分量的电信号

16：模拟的正交分量的电信号

17：信号处理装置

17a、17b：AD转换元件

17c、17d：信号处理部

31：振动测量器。