JPH02201129A - Optical fiber system distribution type temperature sensor - Google Patents

Optical fiber system distribution type temperature sensor

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JPH02201129A
JPH02201129A JP1019991A JP1999189A JPH02201129A JP H02201129 A JPH02201129 A JP H02201129A JP 1019991 A JP1019991 A JP 1019991A JP 1999189 A JP1999189 A JP 1999189A JP H02201129 A JPH02201129 A JP H02201129A
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JP
Japan
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light
optical fiber
stokes
sensor
scattered light
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Pending
Application number
JP1019991A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasuo Ozawa
保夫 小沢
Koichi Sugiyama
耕一 杉山
Satoru Yamamoto
哲 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Cable Ltd
Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Original Assignee
Tokyo Electric Power Co Inc
Hitachi Cable Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Electric Power Co Inc, Hitachi Cable Ltd filed Critical Tokyo Electric Power Co Inc
Priority to JP1019991A priority Critical patent/JPH02201129A/en
Publication of JPH02201129A publication Critical patent/JPH02201129A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain the temperature of a sensor with high accuracy by obtaining true Raman scattered light component obtained by subtracting conversion intensity in the object wavelength area of separated Rayleigh scattered light from the light intensity of separated stokes light, etc., and obtaining the temperature of an optical fiber for a sensor from the above-mentioned component. CONSTITUTION:Light emitted from a pulse light source 2 in a measuring device 10 is conducted to the optical fiber 20 for the sensor and excites backscattered light. A part of the backscattered light returns to the device 10 and conducted to OTDR measurement circuits 30a and 30r. In the circuits 30a and 30r, the backscattered light is converted into the light in the wavelength area where the respective central wavelengths are lambdaa and lambdar by filters 4a and 4r and enters photodetectors 5a and 5b. The signals are inputted in averaging processing circuits 6a and 6r and SN ratio is enhanced. The information is inputted in a temperature distribution arithmetic circuit 7 to obtain the temperature distribution of the optical fiber 20 for the sensor. Then, the time function of the light intensity corresponding to the light intensity of antistokes light and the Rayleigh light is inputted in the arithmetic circuit 7 so as to obtain the temperature of the optical fiber for the sensor from the true Raman scattered light component.

Description

【発明の詳細な説明】 U産業上の利用分野] 本発明は温度センサ特に光ファイバ式分布形温度センサ
に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Use] The present invention relates to a temperature sensor, particularly an optical fiber type distributed temperature sensor.

[従来の技術] 光ファイバ式分布形温度センサは、光フアイバ中の散乱
光強度が温度によって変化することを利用し、この変化
を公知のOT D R(0oticaj口11e Do
main ReflectoIIetry)の手法で検
知することにより、光ファイバの長手方向に沿った温度
分布を計測するものである。方式としてはラマン散乱光
を利用したものとレーリー散乱光を利用したものが知ら
れており、前者の信号は後者に比べ、微弱(約100〜
1/1000)であるが、温度変化に対する信号変化層
が大きく、有望な方式と考えられている。
[Prior Art] An optical fiber type distributed temperature sensor utilizes the fact that the intensity of scattered light in an optical fiber changes depending on the temperature.
The temperature distribution along the longitudinal direction of the optical fiber is measured by detecting the temperature using the main reflector method. Two methods are known, one using Raman scattered light and the other using Rayleigh scattered light, and the former's signal is weaker (approximately 100 ~
1/1000), but it has a large signal change layer with respect to temperature changes, and is considered to be a promising method.

本出願人が先に提案したラマン散乱光を利用した光ファ
イバ式分布形温度センサ(以下、単にラマン式温度セン
サと呼ぶ)は、光ファイバの一端から波長λ0、パルス
幅Tw、パルス周jtjl T pの光を入射させ、光
フアイバ内で発生するラマン散乱光の二成分である波長
λaのアンチストークス光、及び波長λSのストークス
光を、パルス光入射時刻を1=0として、それぞれ時間
の関数1 a(t)、  I 5(t)として測定し、
これらの比I a(t)/ I 5(t)が純粋に温度
の関数であること、及び光パルス入射後、光パルス入射
端(後方1孜乱光計測、g)に戻ってくるまでの時間が
2XL、/Coであること(CO;光フアイバ中の光速
)を利用して、光ファイバに沿った線状の温度分布測定
を行う装置である。
The optical fiber distributed temperature sensor using Raman scattered light (hereinafter simply referred to as Raman temperature sensor) proposed earlier by the present applicant has a wavelength λ0, a pulse width Tw, and a pulse frequency jtjl T from one end of the optical fiber. P light is input, and anti-Stokes light with a wavelength λa and Stokes light with a wavelength λS, which are two components of Raman scattered light generated within the optical fiber, are generated as a function of time, assuming that the pulse light input time is 1=0. 1 a(t), measured as I 5(t),
These ratios Ia(t)/I5(t) are purely a function of temperature, and after the light pulse enters, it is determined that This device measures linear temperature distribution along an optical fiber by utilizing the fact that the time is 2XL, /Co (CO: the speed of light in an optical fiber).

アンチストークス光及びストークス光の後方散乱光計測
は、光ファイバの破断点検知等に用いる0TDRとほぼ
同じuノ定方法で行われている。
Backscattered light measurement of anti-Stokes light and Stokes light is performed using the u constant method, which is almost the same as 0TDR, which is used for detecting a break point of an optical fiber.

上記ラマン式温度センサは、例えば塩カケープルに沿わ
せてセンサ用光ファイバを敷設することにより、電力ケ
ーブルの長手方向の温度分布を知ることができ、送電容
量の制御等に利用したり、ケーブルの劣化等により生じ
る部分的に温度の高い箇所の検知等が行なえる。また、
ビルやトンネル等の火災検知用として使用すれば、火災
発生位置の標定を行うことらできる。
The above Raman temperature sensor can be used to determine the temperature distribution in the longitudinal direction of a power cable by laying a sensor optical fiber along the salt cable, for example, and can be used to control power transmission capacity, etc. It is possible to detect areas where the temperature is partially high due to deterioration or the like. Also,
When used for fire detection in buildings, tunnels, etc., it is possible to locate the location of a fire outbreak.

第4図は、上記ラマン式温度センサの具体的構成例であ
り、計測装置10とセンサ用光ファイバ20から構成さ
れている。
FIG. 4 shows a specific example of the configuration of the Raman temperature sensor, which is composed of a measuring device 10 and a sensor optical fiber 20.

計測装置10内のパルス光源2から出射された光は、光
ファイバ21、光分岐2I131を介してセンサ用光フ
ァイバ20に導かれ、該光フアイバ内で後方散乱光を励
起する。励起された後方散乱光の一部は計測装置10側
に戻り、光分岐器31、光ファイバ22を介して光分岐
器32に導かれる。
Light emitted from the pulse light source 2 in the measuring device 10 is guided to the sensor optical fiber 20 via the optical fiber 21 and the optical branch 2I131, and excites backscattered light within the optical fiber. A part of the excited backscattered light returns to the measuring device 10 side and is guided to the optical splitter 32 via the optical splitter 31 and the optical fiber 22.

光分岐器32で二分された後方散乱光のうち、光ファイ
バ23aに導かれたものは、中心波長λaの光学フィル
タ4a、受光器5a及び平均化処理回路6aで構成され
るアンチストークス光用0TDR計測回路30aに入り
、この光強度からアンチストークス光強度の時間関数1
 a(t)が求められる。@方、光分岐81132で二
分された後方散乱光のうち、光ファイバ23sに導かれ
たものは、中心波長λSの光学フィルタ4s、受光器5
s及び平均化処理回路65″c41!成されるストーク
ス光用0TDR計測回路30sに入り、この光強度から
ストークス光強度の時間関数15(t)が求められる。
Of the backscattered light split into two by the optical splitter 32, the one guided to the optical fiber 23a is an anti-Stokes optical 0TDR consisting of an optical filter 4a with a center wavelength λa, a light receiver 5a, and an averaging circuit 6a. It enters the measurement circuit 30a, and from this light intensity, the time function 1 of the anti-Stokes light intensity is calculated.
a(t) is found. On the other hand, among the backscattered light split into two by the optical branch 81132, the light guided to the optical fiber 23s is passed through an optical filter 4s with a center wavelength λS and a light receiver 5.
The light enters the Stokes light 0TDR measuring circuit 30s, which is formed by an averaging processing circuit 65''c41!, and a time function 15(t) of the Stokes light intensity is determined from this light intensity.

パルス光源2と平均化処理回路6a、6sの同期合せは
、トリガ回路1の同期信号によって行う。
The pulse light source 2 and the averaging processing circuits 6a and 6s are synchronized by a synchronization signal from the trigger circuit 1.

得られた時間関数1 a(t)及びI 5(t)を温度
分布演算回路7に入力し、I a(t)/ I 5(t
)の演算を行うことにより、センサ用光ファイバに沿っ
た線状温度分布測定を行っている。
The obtained time functions 1a(t) and I5(t) are input to the temperature distribution calculation circuit 7, and Ia(t)/I5(t
), the linear temperature distribution along the sensor optical fiber is measured.

[発明が解決しようとする課題] ラマン式温度センサは上述した方法で線状の温度分布が
測定でき、これまでに検討されてきた線状温度分布測定
法の中では、感度が高く、実用的な方式であるため、長
距離の温度分布が計測できる可能性がある。
[Problem to be solved by the invention] The Raman temperature sensor can measure linear temperature distribution using the method described above, and among the linear temperature distribution measurement methods that have been studied so far, it is highly sensitive and practical. This method has the potential to measure temperature distribution over long distances.

ところで、レーリー散乱光の波長λrは入射光の波長^
0と同一であるなめ、第2図に示すように、レーリー散
乱光の波長分布は入射光の波長分布とほぼ同一となる。
By the way, the wavelength λr of Rayleigh scattered light is the wavelength of the incident light ^
0, the wavelength distribution of the Rayleigh scattered light is almost the same as the wavelength distribution of the incident light, as shown in FIG.

これに対し、アンチストー2ス光の波長λaは入射光の
波長λ0よりΔλ「(数〜数十r+1)だけ短くなり、
逆にストークス光の波長λSは入射光の波長λ0よりΔ
λrだけ長くなる。
On the other hand, the wavelength λa of the antistoic light is shorter than the wavelength λ0 of the incident light by Δλ" (several to several tens r+1),
Conversely, the wavelength λS of Stokes light is Δ from the wavelength λ0 of the incident light.
It becomes longer by λr.

また、ラマン散乱光(アンチストークス光とストークス
光)はレーリー散乱光に比べ、非常に微弱(約1/10
0〜1/1(100)であり、それぞれの波長ら接近し
ていることから、入射パルス光が完全な9色光(単一の
波長を有する光)でないため、第2図に示すように、ラ
マン散乱光の波長領域にもレーリー散乱光成分の一部が
入る。
In addition, Raman scattered light (anti-Stokes light and Stokes light) is extremely weak (approximately 1/10
0 to 1/1 (100), and each wavelength is close to each other, so the incident pulsed light is not a complete nine-color light (light with a single wavelength), so as shown in Figure 2, A portion of the Rayleigh scattered light component also enters the wavelength region of Raman scattered light.

このため、ラマン散乱光成分のみを完全に分離すること
は几しく、温度測定精度にある限界を与えていた。
For this reason, it is difficult to completely separate only the Raman scattered light component, which imposes a certain limit on temperature measurement accuracy.

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を改善し、高
精度の光ファイバ式分布形温度センサを提供することに
ある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to improve the above-mentioned drawbacks of the prior art and provide a highly accurate optical fiber type distributed temperature sensor.

L課題を解決するための手段] 本発明の光ファイバ式分布形温度センサは、計測系内の
光源からセンサ用光ファイバに光パルスを入射させ、該
ファイバで発生する後方散乱光を該計測系に導くと共に
、これら後方散乱光の中からレーリー散乱光の中心波長
域及びラマン散乱光のストークス光若しくはアンチスト
ークス光の中心波長域の光を分離する手段と、該分離さ
れたストークス光若しくはアンチストークス光の中心波
長域を対↑波長域として固定して、前記分離されたスト
ークス光若しくはアンチスI・−ラス光の光強度から前
記分離されたレーリー散乱光の′NN家長長域の換算光
強度を差し引いて真のラマン散乱光成分を求め、求めた
真のラマン散乱光成分と11η記レーリー散乱光の光強
度との比からセンサ用光ファイバの温度を求める演算手
段とを設けて桶成したものである。
Means for Solving Problems] The optical fiber type distributed temperature sensor of the present invention makes a light pulse enter a sensor optical fiber from a light source in a measurement system, and backscattered light generated in the fiber is transmitted to the measurement system. means for separating light in the center wavelength range of Rayleigh scattered light and Stokes light or anti-Stokes light of Raman scattered light from among these backscattered lights, and the separated Stokes light or anti-Stokes light. Fixing the central wavelength range of the light as the ↑ wavelength range, the converted light intensity of the 'NN patriarchal range of the separated Rayleigh scattered light is calculated from the light intensity of the separated Stokes light or antis I-Ras light. The device is equipped with a calculation means for subtracting the true Raman scattered light component and calculating the temperature of the sensor optical fiber from the ratio of the found true Raman scattered light component and the light intensity of the 11η Rayleigh scattered light. It is.

別の形層としては、計測系内の光源からセンサ用光ファ
イバに光パルスを入射させ、該ファイバで発生ずる後方
散乱光を該計測系に導くと共に、これら後方散乱光の中
からレーリー散乱光中心波長域並びにラマン散乱光のス
トークス光及びアンチストークス光の中心波長域の光を
分離する手段と、該分離されたストークス光の中心波長
域及びアンチストークス光の中心波長域をそれぞれ対象
波長域として固定して、前記分離されたストークス光及
びアンチストークス光の光強度からそれぞれ前記分離さ
れたレーリー散乱光の対象波長域でのtaX光強度を差
し引いて、真のラマン散乱光成分としてのストークス光
及びアンチストークス光の光強度を求め、求めた真のラ
マン散乱光成分としてのストークス光の光強度とアンチ
ストークス光の光強度との比からセンサ用光ファイバの
温度を求める演算手段とを設けて楕成することもできる
Another type of layer is to input a light pulse from a light source in a measurement system to a sensor optical fiber, guide the backscattered light generated in the fiber to the measurement system, and select Rayleigh scattered light from among these backscattered lights. A means for separating light in a center wavelength range and a center wavelength range of Stokes light and anti-Stokes light of the Raman scattered light, and a means for separating light in a center wavelength range of the Stokes light and anti-Stokes light of the Raman scattered light, and using the separated center wavelength range of the Stokes light and the center wavelength range of the anti-Stokes light as target wavelength ranges, respectively. By subtracting the taX light intensity in the target wavelength range of the separated Rayleigh scattered light from the light intensity of the separated Stokes light and anti-Stokes light at a fixed value, the Stokes light and anti-Stokes light as true Raman scattered light components are obtained. Calculating means for determining the light intensity of the anti-Stokes light and calculating the temperature of the sensor optical fiber from the ratio of the light intensity of the Stokes light as the determined true Raman scattered light component and the light intensity of the anti-Stokes light are provided. It can also be done.

r作用l ラマン散乱光(アンチストークス光、ストークス光)及
びレーリ散乱光の光強度は入射光強度■0に比例するが
、その温度依存性は前者が大きく後者は小さい、従って
、レーリ欣乱光の温度依存性を前者に比べ無視し、アン
チスト−クス光及びストークス光の温度関数をfa(丁
)、 f 5(T)とすると、アンチストークス光、ス
トークス光及びし−り散乱光の光強度T a(t)、I
 5(t)、I r(t)は、Ia(t)=Baxfa
(T)xlo    −(i)I 5(t)= B s
 x f s(■)x I o・(2)I r(t)=
Br x Io        −(3)但し、Ba、
Bs、Br:比例定数 となり、I a(t)/ I rft)あるいは、I 
5(t)/I r(t)が純粋に温度の関数となること
が判る。
r effect l The light intensity of Raman scattered light (anti-Stokes light, Stokes light) and Rayleigh scattered light is proportional to the incident light intensity ■0, but the temperature dependence of the former is large and the latter is small. Therefore, the Rayleigh scattered light Ignoring the temperature dependence of the former compared to the former, and assuming that the temperature functions of the anti-Stokes light and Stokes light are fa (di) and f5 (T), the light intensity of the anti-Stokes light, Stokes light, and shear scattered light is T a(t), I
5(t), I r(t) is Ia(t)=Baxfa
(T) xlo - (i) I 5(t) = B s
x f s(■)x I o・(2)I r(t)=
Br x Io - (3) However, Ba,
Bs, Br: constant of proportionality, I a(t)/I rft) or I
It can be seen that 5(t)/I r(t) is purely a function of temperature.

?iAX手段は、ラマン散乱光によるアンチストークス
光とストークス光の一方又は両方の・m報に加え、レー
リー散乱光の情報も活用して、センサ用光ファイバの温
度を算出する。算出手順は、ストークス光及び/又はア
ンチストークス光の光強度からレーリー散乱光の対象波
長域での換算光強度を差し引くことにより、真のラマン
散乱光成分としての純粋なアンチストークス光又はスト
ークス光の光強度を求めてこれとレーリー散乱光の光強
度との比をとるが、純粋なストークス光とアンチストー
クス光の光強度を共に求めて両者の比をとることによる
。ラマン散乱光成分のみが完全に分離される結果となる
ので、光ファイバ式分布形温度センサの精度が大幅に向
上する。
? The iAX means calculates the temperature of the sensor optical fiber by utilizing information on Rayleigh scattered light as well as information on one or both of anti-Stokes light and Stokes light caused by Raman scattered light. The calculation procedure is to calculate the pure anti-Stokes light or Stokes light as a true Raman scattered light component by subtracting the converted light intensity in the target wavelength range of Rayleigh scattered light from the light intensity of Stokes light and/or anti-Stokes light. The light intensity is determined and the ratio is taken between this and the light intensity of the Rayleigh scattered light, but the light intensity of the pure Stokes light and the anti-Stokes light are both determined and the ratio of the two is taken. Since only the Raman scattered light component is completely separated, the accuracy of the optical fiber type distributed temperature sensor is greatly improved.

尚、後方散乱光の発生位置は、光パルスの入射時刻と後
方散乱光が計測系へ到達する時刻の差から求めることが
できる。
Note that the generation position of the backscattered light can be determined from the difference between the incident time of the optical pulse and the time at which the backscattered light reaches the measurement system.

レーリー散乱光やラマン散乱光のそれぞれの中心波長域
の光、正確には中心波長に相当する波長領域の光を分離
する手段としては、それぞれの波長に適合した光分波器
、光方向性結合器あるいは分岐器とフィルタの組合わせ
等を用いることができる。
As a means to separate light in the center wavelength range of Rayleigh scattered light and Raman scattered light, or more precisely, light in the wavelength range corresponding to the center wavelength, optical demultiplexers and optical directional couplings suitable for each wavelength are used. A combination of a filter or a splitter and a filter can be used.

[実施例1 以下、本発明による光ファイバ式分布形温度センサの実
施例を第1図により説明する。本実施例による光ファイ
バ式分布形温度センサの基本構成1、J第11図に示ず
センサ例とほぼ同じであり、異なる点は以下の通りであ
る。
[Example 1] Hereinafter, an example of the optical fiber type distributed temperature sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. Basic configuration 1 of the optical fiber type distributed temperature sensor according to this embodiment is almost the same as the sensor example not shown in FIG. 11, and the differences are as follows.

まず構成上は、0TDR計潤回路として、ストークス散
乱光用0TDR計測回路30sの代わりにレーリー散乱
光用0TDR計測回路30rを挿入した形となっている
。このレーリー散乱光用0TDR計潤回1JR30rは
、中心波長λrの光学フィルタ4r、受光器5r及び平
均化処理回路6rで構成され、もう一方のアンナス1−
−クス光Jn OT” D R計測四R30aは、中心
波長λaの光学フィルタ4a、受光器5a及び平均化処
理回路6aで構成されている。
First, in terms of the configuration, as an 0TDR measurement circuit, a Rayleigh scattered light 0TDR measurement circuit 30r is inserted in place of the Stokes scattered light 0TDR measurement circuit 30s. This 0TDR meter for Rayleigh scattered light 1JR30r is composed of an optical filter 4r with a center wavelength λr, a light receiver 5r, and an averaging processing circuit 6r.
-X light Jn OT" DR measurement 4R30a is composed of an optical filter 4a having a center wavelength λa, a light receiver 5a, and an averaging processing circuit 6a.

次に、この第1図に示す光クイアバ式分布形温度センサ
の動作について説明する。
Next, the operation of the optical bias distribution type temperature sensor shown in FIG. 1 will be explained.

計n1装置10内のパルス光源2から出射された光(波
長λO)は、光ファイバ21、光分岐器31を介し、セ
ンサ用光ファイバ20に導かれ、該光フアイバ内で後方
散乱光を励起する。励起された後方散乱光の一部は計測
装置10側に戻り、光分岐器31.32を介して、上記
2つの0TDR計潤回路30a、30rに導かれる。即
ち、光分岐3i32で二分されて光ファイバ23aに導
かれたものは、アンチストークス光用0TDR計aμm
回路30aに入り、他方、光ファイバ23rに導かれた
ものは、レーリー散乱光用0 ’T” D R計測回路
30rに入る。
Light (wavelength λO) emitted from the pulse light source 2 in the n1 device 10 is guided to the sensor optical fiber 20 via the optical fiber 21 and the optical splitter 31, and excites backscattered light within the optical fiber. do. A portion of the excited backscattered light returns to the measurement device 10 side and is guided to the two 0TDR measurement circuits 30a and 30r via the optical splitters 31 and 32. That is, what is split into two by the optical branch 3i32 and guided to the optical fiber 23a is a 0TDR meter aμm for anti-Stokes light.
The light that enters the circuit 30a and is guided to the optical fiber 23r enters the Rayleigh scattered light 0 'T'' D R measurement circuit 30r.

両0TDR計測回路30a、3Orにおいて、後方散乱
光は、まずフィルタ4a、4rで、それぞれの中心波長
λa、λ「における波長領域の光に変換され、受光器5
a、5rに入る。受光器5a、5r”e電気情報に変換
された信号は、次に平均化処理回路6a、6rに入力さ
れてSN比が改首される。その情報は、温度分布演算回
路7に入力され、センサ用光ファイバ20の温度分布が
求められる。
In both 0TDR measurement circuits 30a and 3Or, the backscattered light is first converted into light in the wavelength range at the respective center wavelengths λa and λ' by the filters 4a and 4r, and then sent to the light receiver 5.
a. Enter 5r. The signals converted into electrical information from the light receivers 5a and 5r"e are then input to averaging processing circuits 6a and 6r to correct the S/N ratio. The information is input to a temperature distribution calculation circuit 7, The temperature distribution of the sensor optical fiber 20 is determined.

次に、温度分布演算回路7での演算処理法の考え方につ
いて述べる。
Next, the concept of the calculation processing method in the temperature distribution calculation circuit 7 will be described.

0 ’I” D R1tl−測回路30a、30rで得
られた光強度は見掛上の値であるので、アンチストーク
ス光及びレーリー光の光強度に対応した光強度の時間関
数をそれぞれ■“a(t) 、I ’r(t)とする。
Since the light intensities obtained by the measuring circuits 30a and 30r are apparent values, the time functions of the light intensity corresponding to the light intensities of the anti-Stokes light and the Rayleigh light are respectively expressed as ■"a (t), I'r(t).

ここで、見掛上の光強度としたのは、第2図に示したよ
うに、ラマン散乱光が発生する波長領域5060にもレ
ーリー散乱光成分が含まれているなめである。これら求
められた見掛上の光強度1 ’a(t) 、I ’rm
を演算回路7に入力し、真の散乱光強度を求める。
Here, the reason for the apparent light intensity is that, as shown in FIG. 2, the Rayleigh scattered light component is also included in the wavelength region 5060 in which Raman scattered light is generated. These determined apparent light intensities 1'a(t), I'rm
is input to the arithmetic circuit 7 to obtain the true scattered light intensity.

先ず、第2図の如くレーリー散乱光が発生する波長領域
40にもラマン散乱光成分が含まれているが、後者は前
者に比べ無視できるほど小さいので、 T r(t)−I ’r(t)   ・・・(4)但し
、I r(t) ;レーリー散乱光強度となる。
First, although the wavelength region 40 in which Rayleigh scattered light occurs as shown in FIG. t) ...(4) However, I r(t) ; Rayleigh scattered light intensity.

また、アンチスト−クス散乱光か発生する波長領域50
で波長を固定すると、アンチストークス散乱光とレーリ
ー散乱光の光強度比は一定であるので、 Ia(t)=I’a(t)−CIXI’r(t)  −
(5)但し、I a(t) ;アンチストークス光強度
C3;比例定数 この様にして得られたI a(t)は真のラマン散乱光
成分であり、上記(1)、 (3)式を用いることによ
り、温度関数fanが次式で求まる。
In addition, the wavelength region 50 in which anti-Stokes scattered light is generated is
When the wavelength is fixed at , the light intensity ratio of anti-Stokes scattered light and Rayleigh scattered light is constant, so Ia(t) = I'a(t) - CIXI'r(t) -
(5) However, I a (t); anti-Stokes light intensity C3; proportionality constant I a (t) obtained in this way is a true Raman scattered light component, and the above equations (1) and (3) By using , the temperature function fan can be found using the following equation.

f am= (I ’a(t) −C、X I ’r(
t) )x 1 /  I ’r(t)       
−(6)この温度間数f a(T)は選定された光ファ
イバに対して予め校正値を得ることができるため、逆に
散乱光+ft報から温度関数fa(T)が求められると
、センサ用光ファイバの温度が高精度で計測される。
f am= (I'a(t)-C,X I'r(
t) ) x 1 / I'r(t)
-(6) Since the temperature function fa(T) can be calibrated in advance for the selected optical fiber, conversely, when the temperature function fa(T) is obtained from the scattered light + ft information, The temperature of the sensor optical fiber is measured with high precision.

上記例はラマン散乱光情報として、アンチストークス光
を用いたものであるが、ストークス光を用いても、同様
にして、センサ用光ファイバの温度を計測できる。この
とき温度関数fa(T)は以下のようになる。
Although the above example uses anti-Stokes light as Raman scattered light information, the temperature of the sensor optical fiber can be similarly measured using Stokes light. At this time, the temperature function fa(T) is as follows.

f sm= (1’Nt) −C、x I ’r(t)
 )X 1 / I ’r(t)       ・・・
(7)また、ラマン散乱光が発生する点までの距離を1
−1光フアイバ中の光速をCo、光パルス入射後戻って
くるまでの時間をtとすると、次の(8)式から距11
iLが求まる。
f sm= (1'Nt) -C, x I'r(t)
)X1/I'r(t)...
(7) Also, the distance to the point where Raman scattered light is generated is 1
-1 If the speed of light in the optical fiber is Co, and the time from the input of the optical pulse until it returns is t, then from the following equation (8), the distance 11
Find iL.

L=COX t/2       −(8)このように
して、センサ用光ファイバ20に沿った線状温度分布測
定が行える。
L=COX t/2 - (8) In this way, linear temperature distribution measurement along the sensor optical fiber 20 can be performed.

なお、比例定数C+、Cxは、センサ用光ファイバ20
が短尺の場合は一定として取扱えるが、長尺の場合には
各波長によって、距離減衰特性が異なるのでこの補正を
行う必要がある。この補圧は対象波長に対する光ファイ
バの距離減衰特性と入射パルス光の波長分布から容易に
行えるものである。
Note that the proportionality constants C+ and Cx are the sensor optical fiber 20.
If it is short, it can be treated as constant, but if it is long, the distance attenuation characteristics differ depending on each wavelength, so it is necessary to perform this correction. This compensation can be easily performed based on the distance attenuation characteristics of the optical fiber for the target wavelength and the wavelength distribution of the incident pulsed light.

第1図では波長分離手段として分岐器を用いたが、分波
器や方向性結合器あるいはこれらの組合わせを用いても
良い、また、分岐器を用いる場合にはラマン散乱光とレ
ーリー散乱光の分岐比を、それぞれの光強度の逆数比と
しても良い(例えば、光強度比が100;1の場合には
分岐比を1 ; 100とする)。
In Figure 1, a splitter is used as the wavelength separation means, but a splitter, directional coupler, or a combination of these may also be used.If a splitter is used, Raman scattered light and Rayleigh scattered light can be separated. The branching ratio may be a reciprocal ratio of the respective light intensities (for example, when the light intensity ratio is 100;1, the branching ratio is set to 1;100).

第3図は、本発明の光ファイバ式分布形温度センサの他
の実施例である。
FIG. 3 shows another embodiment of the optical fiber type distributed temperature sensor of the present invention.

この実施例では、0TDR計測回路として、第4図のア
ンチストークス光用OT D Rtf測回路30a、ス
トークス散乱光用0TDR計測回路30sに加えて、更
に、レーリー散乱光用0TDR計測回路30rを有して
いる。また、光分岐器31.32を光分波器9に変え、
後方散乱光の分離を容易にしており、これに伴って、0
 ’T” D R計測回路30a、30s、30rから
は光学フィルタ4a、4s、4rが省略されている。
In this embodiment, in addition to the OT D Rtf measuring circuit 30a for anti-Stokes light and the 0TDR measuring circuit 30s for Stokes scattered light shown in FIG. 4, the 0TDR measuring circuit further includes an 0TDR measuring circuit 30r for Rayleigh scattered light. ing. Also, the optical branching devices 31 and 32 are changed to optical demultiplexing devices 9,
This makes it easy to separate backscattered light, and along with this, 0
The optical filters 4a, 4s, and 4r are omitted from the 'T'DR measurement circuits 30a, 30s, and 30r.

次に、第3図の光ファイバ式分布形温度センサの動作に
ついて説明する。
Next, the operation of the optical fiber type distributed temperature sensor shown in FIG. 3 will be explained.

J1泗装置10内のパルス光源2から出射された光(波
長λ0)は光ファイバ21、充分波器9を介してセンサ
用光ファイバ20に導かれ、該光フアイバ内で後方散乱
光を励起する。励起された後方散乱光の一部は計測装置
10側に戻り、光分波器9、光ファイバ23a、23s
、23rを介して、0TDR計測回路30a、30s、
30rに導かれる。
Light (wavelength λ0) emitted from the pulsed light source 2 in the J1 device 10 is guided to the sensor optical fiber 20 via the optical fiber 21 and the waveform generator 9, and excites backscattered light within the optical fiber. . A part of the excited backscattered light returns to the measurement device 10 side and is transmitted to the optical demultiplexer 9 and the optical fibers 23a and 23s.
, 23r, the 0TDR measurement circuits 30a, 30s,
Guided to 30r.

光分波器って3分波出力された後方散乱光のうち、光フ
ァイバ23aに導かれたものは、中心波長λaにおける
波長領域の光であり、光を電気信号に変換する受光器5
a及び平均化処理回路6aで構成されるアンチストーク
ス光用0TDR計測回n 30 aに入り、この光強度
から見掛上のアンチストークス光強度の時間関数I ’
a(t)が求められる。同様にして、ストーク光用0T
DR計測回路30s及びレーリー散乱光用0TDR計測
装置30rから、それぞれに対応した見掛上の光強度の
時間関数1 ’5(t) 、  I ’r(t)が求め
られる。
Of the backscattered light output by the optical demultiplexer into three parts, what is guided to the optical fiber 23a is light in the wavelength range at the center wavelength λa, and the light is sent to the optical receiver 5 which converts the light into an electrical signal.
The anti-Stokes light 0TDR measurement cycle n 30 a, which is composed of the anti-Stokes light intensity and the averaging processing circuit 6a, is entered, and from this light intensity, the time function I' of the apparent anti-Stokes light intensity is calculated.
a(t) is found. Similarly, 0T for Stoke light
From the DR measurement circuit 30s and the Rayleigh scattered light 0TDR measurement device 30r, time functions 1'5(t) and I'r(t) of the corresponding apparent light intensity are obtained.

これら求められた見掛上の光強度I ’a(t)1 ’
5(t) 、  I ’r(t)を演算回路7に入力し
、真の散乱光強度を求める。
These obtained apparent light intensity I'a(t)1'
5(t) and I'r(t) are input to the arithmetic circuit 7, and the true scattered light intensity is determined.

先ず、レーリー散乱光強度1 r(t)は、」1記(4
)式と同じくラマン散乱光成分を無視して、I r(t
)= I ’r(t)       ・・・(9)とな
る。
First, the Rayleigh scattered light intensity 1 r(t) is given by ``1 (4)
), ignoring the Raman scattered light component, I r(t
)=I'r(t) (9).

また、ラマン散乱光が発生ずる波長領域5060で波長
を固定すると、ラマン散乱光とレーリー散乱光の光強度
比は一定であるので、Ta(t)=I’a(t)−C,
XI’r(t)  −(10)I 5(t)= I ’
5(t)−C2x I ’r(t)  ・・・(11)
但し、I a(t) ;アンチストークス光強度I 5
(t) ;ストークス光強度 ct 、 C2;比例定数 この様にして得られなI ff(t)及びI 5(t)
は真のラマン散乱光成分であり、I a(t)/ I 
5(t)が純粋に温度の関数となるので、 (1’a(t)  C+ x I ’r(t) )x 
1/ (1’5(t) −C,x I ’r(t) )
の演算を行うことにより、高精度の温度計i1!lJか
できる。
Furthermore, if the wavelength is fixed in the wavelength range 5060 where Raman scattered light is generated, the light intensity ratio of Raman scattered light and Rayleigh scattered light is constant, so Ta(t) = I'a(t) - C,
XI'r(t) - (10)I 5(t) = I'
5(t)-C2x I'r(t)...(11)
However, I a(t) ; anti-Stokes light intensity I 5
(t); Stokes light intensity ct, C2; proportionality constant I ff (t) and I 5 (t) obtained in this way
is the true Raman scattered light component, I a(t)/I
Since 5(t) is purely a function of temperature, (1'a(t) C+ x I'r(t) )x
1/ (1'5(t) -C,x I'r(t))
By performing the calculation, a highly accurate thermometer i1! I can do lj.

また、ラマン散乱光が発生する点までの距離しは、上記
(8)式より求まる。
Further, the distance to the point where Raman scattered light is generated can be determined from the above equation (8).

このようにして、第3図の場合にも、センサ用光ファイ
バ20に治った線状温度分布測定が行える。
In this way, also in the case of FIG. 3, linear temperature distribution measurement can be performed on the sensor optical fiber 20.

なお、第3図では波長分^を手段として分岐器を用いた
が、第1図で示したように、分岐器とフィルタの組合わ
せを用いてらよく、また、そのように分岐器を用いる場
合にはラマン散乱光とレーリー散乱光の分岐比を、それ
ぞれの光強度の逆数比としても良い。
In addition, in Fig. 3, a splitter is used as a means of wavelength division, but as shown in Fig. 1, it is better to use a combination of a splitter and a filter. Alternatively, the branching ratio of Raman scattered light and Rayleigh scattered light may be set as the reciprocal ratio of the respective light intensities.

[発明の効果] 以上述べたように、本発明によれば、以下の顕著な効果
を奏することができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the following remarkable effects can be achieved.

(1)入射パルス光が完全な単色光(単一の波長を有す
る光)でなくても、ラマン散乱光を分Mでき、センサの
温度を高精度で測定できる。
(1) Even if the incident pulsed light is not completely monochromatic light (light having a single wavelength), the Raman scattered light can be separated and the temperature of the sensor can be measured with high precision.

(2)レーリー散乱光も計測しているため、この・in
報から、光フアイバー損失の時間変化ら把握でき、セン
サ用光ファイバの異常等を認識できる。
(2) Since Rayleigh scattered light is also measured, this in
From the information, it is possible to understand temporal changes in optical fiber loss, and to recognize abnormalities in the sensor optical fiber.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明による光ファイバ式分布形温度センサの
構成例を示す図、第2図は光フアイバセンサ内で発生す
る後方散乱光の波長分布概念図、第3図は本発明による
光ファイバ式分布形温度センサの曲の構成例を示す図、
第4図は既に提案されている光フアイバ式分布温度セン
サの構成例を示す図である。 図中、1はトリガ回路、2はパルス光源、4s、4a、
4rは光学フィルタ、5s、5a。 5rは受光器、6s、6a、6rは平均化処理回路、7
は温度分布演算回路、9は光分波器、10は計測装置、
20はセンサ用光ファイバ21.22.23s、23a
、23rは光ファイバ、31.32は光分岐器、30s
はストークス光用0TDR計測回路、30aはアンチス
トークス光用0TDR計測回路、30rはレーリ光用0
TDR計測回路を示す。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an optical fiber type distributed temperature sensor according to the present invention, FIG. 2 is a conceptual diagram of the wavelength distribution of backscattered light generated within the optical fiber sensor, and FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of an optical fiber type distributed temperature sensor according to the present invention. A diagram showing an example of the composition of a song for a distribution type temperature sensor,
FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of an optical fiber type distributed temperature sensor that has already been proposed. In the figure, 1 is a trigger circuit, 2 is a pulse light source, 4s, 4a,
4r is an optical filter, 5s, 5a. 5r is a light receiver, 6s, 6a, 6r are averaging processing circuits, 7
9 is a temperature distribution calculation circuit, 9 is an optical demultiplexer, 10 is a measuring device,
20 is optical fiber for sensor 21, 22, 23s, 23a
, 23r is an optical fiber, 31.32 is an optical splitter, 30s
is the 0TDR measurement circuit for Stokes light, 30a is the 0TDR measurement circuit for anti-Stokes light, and 30r is the 0TDR measurement circuit for Rayleigh light.
A TDR measurement circuit is shown.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、計測系内の光源からセンサ用光ファイバに光パルス
を入射させ、該ファイバで発生する後方散乱光を該計測
系に導くと共に、これら後方散乱光の中からレーリー散
乱光の中心波長域及びラマン散乱光のストークス光若し
くはアンチストークス光の中心波長域の光を分離する手
段と、該分離されたストークス光若しくはアンチストー
クス光の中心波長域を対象波長域として固定して、前記
分離されたストークス光若しくはアンチストークス光の
光強度から前記分離されたレーリー散乱光の対象波長域
での換算光強度を差し引いて真のラマン散乱光成分を求
め、求めた真のラマン散乱光成分と前記レーリー散乱光
の光強度との比からセンサ用光ファイバの温度を求める
演算手段とを設けたことを特徴とする光ファイバ式分布
形温度センサ。 2、計測系内の光源からセンサ用光ファイバに光パルス
を入射させ、該ファイバで発生する後方散乱光を該計測
系に導くと共に、これら後方散乱光の中からレーリー散
乱光の中心波長域並びにラマン散乱光のストークス光及
びアンチストークス光の中心波長域の光を分離する手段
と、該分離されたストークス光の中心波長域及びアンチ
ストークス光の中心波長域をそれぞれ対象波長域として
固定して、前記分離されたストークス光及びアンチスト
ークス光の光強度からそれぞれ前記分離されたレーリー
散乱光の対象波長域での換算光強度を差し引いて、真の
ラマン散乱光成分としてのストークス光及びアンチスト
ークス光の光強度を求め、求めた真のラマン散乱光成分
としてのストークス光の光強度とアンチストークス光の
光強度との比からセンサ用光ファイバの温度を求める演
算手段とを設けたことを特徴とする光ファイバ式分布形
温度センサ。
[Claims] 1. A light pulse is input from a light source in a measurement system to a sensor optical fiber, and backscattered light generated in the fiber is guided to the measurement system, and Rayleigh scattering is extracted from the backscattered light. means for separating light in a center wavelength range of light and light in a center wavelength range of Stokes light or anti-Stokes light of Raman scattered light; and fixing the center wavelength range of the separated Stokes light or anti-Stokes light as a target wavelength range. , the true Raman scattered light component is obtained by subtracting the converted light intensity in the target wavelength range of the separated Rayleigh scattered light from the light intensity of the separated Stokes light or anti-Stokes light, and the obtained true Raman scattered light is obtained. 1. An optical fiber type distributed temperature sensor, comprising: arithmetic means for determining the temperature of the sensor optical fiber from the ratio of the light intensity of the Rayleigh scattered light. 2. Inject a light pulse into the sensor optical fiber from the light source in the measurement system, guide the backscattered light generated in the fiber to the measurement system, and select the center wavelength range of the Rayleigh scattered light and the means for separating light in the center wavelength range of the Stokes light and anti-Stokes light of the Raman scattered light, and fixing the separated center wavelength range of the Stokes light and the center wavelength range of the anti-Stokes light as target wavelength ranges, respectively; The converted light intensity in the target wavelength range of the separated Rayleigh scattered light is subtracted from the light intensity of the separated Stokes light and anti-Stokes light, respectively, to obtain the Stokes light and anti-Stokes light as true Raman scattered light components. The present invention is characterized by being provided with a calculation means for determining the light intensity and determining the temperature of the sensor optical fiber from the ratio of the determined light intensity of Stokes light and anti-Stokes light as the determined true Raman scattered light component. Optical fiber type distributed temperature sensor.
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