CN101283242A - 温度测定装置及温度测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明的温度测定装置具有：光源，其输出光；光纤，其输入从该光源输出的光，输出布里渊散射光；检测部，其检测该布里渊散射光的光谱；判定部，其判定由该检测部检测出的布里渊散射光的光谱的频移，是否属于该频移相对于光纤温度的变化率小于规定值的特定区域；以及解析部，其在由判定单元判定前述频移不属于该特定区域的情况下，使用频移解析温度，在由判定部判定频移属于特定区域的情况下，至少使用由检测单元检测出的布里渊散射光的光谱的线宽解析前述温度，或不进行解析。

Description

温度测定装置及温度测定方法

技术领域

本发明涉及一种温度测定装置及温度测定方法。

背景技术

目前，已知下述技术：向光纤输入光，检测从光纤输出的布里渊散射光的频移，使用检测到的频移测量温度(参照下述非专利文献1)。所谓布里渊散射，是由于光纤中的光与光纤中的声波的相互作用而使光散射的现象。下述非专利文献1所述的技术，利用了布里渊散射光的光谱随着光纤温度而变化的性质。

特别地，在下述文献1中记载了，在230～370K附近的温度区域内，布里渊散射光的频移依赖于温度而以线性变化。另外，在下述文献2中记载了，在60K～90K附近，频移具有极值。

非专利文献1：Marc Nikles，其他2人，“Brillouin gain spectrumcharacterizationin Single-Mode optical fibers”，JOURNAL OFLIGHTWAVE TECHNOLOGY，VOL.15，NO.10，1997年10月

非专利文献2：L.Thevenaz，其他2人，“Brillouin gain spectrumcharacterizationin optical fibers from 1 to 1000K”，TechnicalDigest，16th International Conference on Optical FiberSensors，2003年10月13-17日，Tu2-2，p.38-41

发明内容

也就是说，根据上述非专利文献2，在包括60K～90K在内的小于或等于200K的低温区域内，因为频移相对于温度的变化小，所以测定精度较低。

本发明是为消除上述问题点而提出的，其目的在于提供一种温度测定装置及温度测定方法，其可以更准确地使用布里渊散射解析低温区域的温度。

本发明的温度测定装置的特征在于，具有：光源，其输出光；光纤，其输入从前述光源输出的光，输出布里渊散射光；检测单元，其检测前述布里渊散射光的光谱；判定单元，其判定由前述检测单元检测出的前述布里渊散射光的光谱的频移，是否属于该频移相对于前述光纤温度的变化率小于规定值的特定区域；以及解析单元，其在由前述判定单元判定前述频移不属于前述特定区域的情况下，使用前述频移解析前述温度，在由前述判定单元判定前述频移属于前述特定区域的情况下，至少使用由前述检测单元检测出的前述布里渊散射光的光谱的线宽解析前述温度，或不进行解析。

本发明的温度测定方法的特征在于，具有：检测步骤，其向光纤输入光，检测对应于前述光的输入而从前述光纤输出的布里渊散射光的光谱；判定步骤，其判定在前述检测步骤中检测出的前述布里渊散射光的光谱的频移，是否属于该频移相对于前述光纤温度的变化率小于规定值的特定区域；以及解析步骤，其在前述判定步骤中判定前述频移不属于前述特定区域的情况下，使用前述频移解析前述温度，在前述判定步骤中判定前述频移属于前述特定区域的情况下，至少使用在前述检测步骤中检测出的前述布里渊散射光的光谱的线宽解析前述温度，或不进行解析。

根据本发明的温度测定装置及温度测定方法，因为判定检测出的布里渊散射光的光谱的频移是否属于特定区域，所以可以把握检测出的频移是否属于光纤中的频移相对于温度的变化率较小的区域。在判定检测出的频移不属于特定区域的情况下，因为使用检测出的频移解析光纤温度，所以可以进行准确的温度解析。另外，在判定检测出的频移属于特定区域的情况下，因为至少使用线宽解析温度或不进行解析，所以，在如果仅使用频移解析温度则精度较低的情况下，至少使用线宽解析温度或不进行解析，由此可以进行准确的处理。

另外，本发明的温度测定装置优选还具有存储单元，其预先存储与频移是否属于前述特定区域相关的区域信息，前述判定单元根据从前述存储单元取得的前述区域信息进行判定。

由此，因为预先存储区域信息，并根据由检测单元检测出的布里渊散射光的光谱的频移和区域信息，判定检测出的频移是否属于特定区域，所以可以更高效地进行判定。

另外，本发明的温度测定装置优选在前述判定单元进行判定中使用的前述特定区域，是包含满足下式(1)所示的频移v_B(T)和温度T的关系的频移在内的区域。

〔式1〕

$\left|\frac{{\mathrm{dv}}_B\left(T\right)}{\mathrm{dT}}\right|=0...\left(1\right)$

由此，因为将包含满足式(1)的频移的区域作为特定区域，所以至少除了频移取极值的情况之外使用频移进行温度解析。由此，可以准确地进行温度解析。

另外，在本发明的温度测定装置中，优选在前述判定单元进行判定中使用的前述特定区域，是包括满足下式(2)所示的频移v_B(T)、线宽Δv_B(T)和温度T的关系的频移v_B(T)的区域。

〔式2〕

$\left|\frac{{\mathrm{dv}}_B\left(T\right)}{\mathrm{dT}}\right|<\left|\frac{\mathrm{d\&Delta;}{v}_B\left(T\right)}{\mathrm{dT}}\right|...\left(2\right)$

由此，因为至少可以在检测出的频移的温度微分系数小于检测出的线宽的温度微分系数的情况下，判定是否属于特定区域，所以可以更准确地进行符合检测灵敏度的解析。

另外，本发明的温度测定方法优选测定沿着光纤的长度方向的温度分布。可以使用BOTDR(Brillouin Optical TimeDomainReflectometry)、BOTDA(BrillouinOptical Time Domain Analysis)、BOCDA(BrillouinOptical Correlation Domain Analysis)等装置，测定沿着光纤的长度方向的温度分布。

发明的效果

根据本发明，可以使用布里渊散射更准确地解析低温区域的温度。

附图说明

图1是本实施方式涉及的温度测定装置的结构图。

图2是表示本实施方式涉及的温度测定装置中包含的光纤12的频移与温度的关系的曲线图。

图3是本实施方式涉及的温度测定方法的流程图。

图4是本实施方式涉及的温度测定装置的变形例的结构图。

图5是表示本实施方式涉及的温度测定方法中的光纤的设置例子的图。

图6是表示本实施方式涉及的温度测定方法中的光纤的设置例子的图。

图7是表示本实施方式涉及的温度测定方法中的光纤的设置例子的图。

图8是表示本实施方式涉及的温度测定方法中的光纤的设置例子的图。

图9是表示本发明的实施方式涉及的温度测定装置中包含的光纤12的频移与温度的关系的曲线图。

具体实施方式

下面，参照附图，详细说明用于实施本发明的最佳实施方式。并且，在附图说明中，对于相同的要素标注相同的标号，省略重复的说明。

首先，对本实施方式涉及的温度测定装置进行说明。图1是本实施方式涉及的温度测定装置1的结构图。温度测定装置1具有：BOTDR装置10、光纤12、存储部14(存储单元)、判定部15(判定单元)、解析部16(解析单元)，该温度测定装置1用于测定被测定物5的温度。作为温度测定装置1的测定对象的温度区域，为小于或等于约200K的低温区域。

BOTDR装置10具有光源11和检测部13(检测单元)，与光纤12连接，测定从光纤12输出的布里渊散射光作为时间的函数。光源11输出泵浦光。向光纤12输入由光源11输出的泵浦光，输出包含布里渊散射光的后方散射光。光纤12设置为使光纤12的一部分与被测定物5的表面接触。在本实施方式中，光纤12配置为蛇形地与被测定物5的表面接触。通过这样配置，可以沿光纤12的长度方向使光纤的更长的区域与被测定物接触。

检测部13每隔一定时间，检测从光纤12的泵浦光入射侧输出的布里渊散射光的光谱。如果布里渊散射光与泵浦光的频率差为v，则检测部13检测的布里渊散射光的光谱g_B(v)用式(3)的洛伦兹型光谱表示。

〔式3〕

$g_B\left(v\right)=\frac{g_0}{1+{\{2\left(v{-v}_B\right)/\mathrm{\&Delta;}{v}_B\}}^2}...\left(3\right)$

式(3)中，g₀、v_B及Δv_B是对布里渊散射光的光谱进行表征的参数，分别为布里渊散射光的光谱最大增益、频移(在本说明书中，该频移表示泵浦光的频率与布里渊光谱的峰值频率的频率差)、及线宽。检测部13将检测出的布里渊散射光的光谱的表示频移的信息和表示线宽的信息向判定部15输出。

存储部14预先存储与频移是否属于后述的特定区域相关的区域信息。

参照图2，说明光纤12的布里渊散射光的光谱的频移与温度的关系，同时对区域信息进行说明。图2是表示布里渊散射光的光谱的频移与光纤12的温度的关系的曲线图。纵轴表示频移v_B(T)，横轴表示温度T。图2的曲线图所示的温度区域为60～90K附近。

如图2所示，频移v_B(T)在60～90K附近具有极值，在低温区域，依赖于温度T而以非线性变化。也就是说，频移v_B(T)在60～90K附近，相对于温度T的变化率较小。在低温区域的60～90K附近以外的区域，频移v_B(T)相对于温度T的变化率较大，依赖于温度T以线性变化。另外，布里渊散射光的光谱的线宽在60～90K附近的温度区域，相对于温度T以线性变化。

上述特定区域与频移相对于温度的变化率较小的区域对应。具体地说，特定区域是包含区域a在内的区域，该区域a是与频移v_B(T)的温度微分值满足下式(4)的频移v_B(T)对应的区域。

〔式4〕

$\left|\frac{{\mathrm{dv}}_B\left(T\right)}{\mathrm{dT}}\right|=0...\left(4\right)$

也就是说，区域a与频移v_B(T)相对于温度的变化率为零的区域对应。

例如，特定区域是与频移v_B(T)的温度微分值满足下式(5)或下式(6)的频移v_B(T)对应的区域b或区域c。

〔式5〕

〔式6〕

也就是说，区域b与下述区域对应，即，频移v_B(T)相对于温度的变化率小于或等于25℃(298K)时的变化率的十分之一的区域。另外，区域c与下述区域对应，即，频移v_B(T)相对于温度的变化率小于或等于25℃(298K)时的变化率的一半的区域。例如，区域b的频移相对于温度的变化率小于或等于约0.136[MHz/K]，区域c的频移相对于温度的变化率小于或等于约0.68[MHz/K]。

另外，特定区域也可以是与频移v_B(T)的温度微分值满足下式(7)的频移v_B(T)对应的区域。

〔式7〕

上述式(7)所示的区域与下述区域对应，即，频移v_B(T)相对于温度的变化率小于或等于25℃(298K)时的变化率的区域。

根据图2所示的光纤12的温度与频移的关系，可以预先确定各温度下的频移是否属于特定区域。存储部14存储表示频移是否属于特定区域的区域信息。并且，存储部14使各温度下的光纤12的频移及线宽相关联而预先存储。

返回图1，判定部15判定从检测部13输出的信息所表示的频移是否属于特定区域。另外，判定部15根据前述区域信息进行判定。并且，判定部15将判定结果和从检测部13输出的表示频移的信息及表示线宽的信息向解析部16输出。

解析部16根据由判定部15输出的判定结果，解析被测定物5的温度。解析部16在从判定部15输出表示频移不属于特定区域的判定结果的情况下，使用从判定部15输出的频移，解析光纤12的温度。具体地说，解析部16从存储部14获取温度信息，该温度信息表示与从判定部15输出的频移对应的温度。

另外，在从判定部15输出表示频移属于特定区域的判定结果的情况下，解析部16至少使用从判定部15输出的线宽，解析光纤12的温度。具体地说，解析部16从存储部14获取温度信息，该温度信息表示与从判定部15输出的线宽对应的温度。

解析部16利用光纤12的温度信息，解析被测定物5的温度，将解析结果向外部输出。例如，解析部16将解析结果输出至显示部17(显示单元)，显示解析结果所示的温度。

下面，对于本实施方式涉及的温度测定装置1的动作，参照图3进行说明，同时对本实施方式涉及的温度测定方法进行说明。图3是本实施方式涉及的温度测定方法的流程图。该温度测定方法是使用温度测定装置1测定被测定物5的温度。作为温度测定方法的测定对象的温度区域，为小于或等于约200K的低温区域。

在温度测定方法中，将区域信息预先存储在存储部14中，经过检测步骤S1、判定步骤S2和解析步骤S3，测定温度。首先，在检测步骤S1中，使从光源11输出的泵浦光入射至光纤12。利用检测部13，检测与入射的泵浦光对应而从光纤12的泵浦光入射侧输出的布里渊散射光的光谱。如果检测出布里渊散射光的光谱，则利用检测部13，向判定部15输出表示布里渊散射光的光谱的中心频率的频移及线宽的信息。

在检测步骤S1之后，在判定步骤S2中，利用判定部15判定从检测部13输出的频移是否属于特定区域。该判定根据存储在存储部14中的区域信息进行。如果进行了判定，则判定结果由判定部15输出至解析部16。

在判定步骤S2之后，在解析步骤S3中，根据从判定部15输出的判定结果，解析被测定物5的温度。在表示频移不属于特定区域的判定结果输出至解析部16的情况下，由解析部16从存储部14中获取与从判定部15输出的频移对应的温度信息。在表示频移属于特定区域的判定结果输出至解析部16的情况下，由解析部16从存储部14中获得与从判定部15输出的线宽对应的温度信息。根据获得的温度信息，利用解析部16解析被测定物5的温度，解析结果输出至外部。例如，解析结果输出至显示单元，显示解析结果所示的温度。

根据本实施方式的温度测定装置1及温度测定方法，因为判定部15判定检测出的布里渊散射光的光谱的频移是否属于特定区域，所以可以掌握检测出的频移是否属于光纤12中的频移相对于温度的变化率小的区域。在判定检测出的频移不属于特定区域的情况下，因为解析部16使用检测出的频移解析光纤12的温度，所以可以进行准确的温度解析。另外，在判定检测出的频移属于特定区域的情况下，因为解析部16至少使用线宽解析温度或不进行解析，所以在如果仅使用频移解析温度则精度降低的情况下，使用线宽解析温度或不进行解析。由此，可以进行准确的处理。

另外，因为将频移与区域信息预先关联并存储，判定部15根据在检测步骤S1中检测出的布里渊散射光的光谱的频移和区域信息，判定检测出的频移是否属于特定区域，所以，可以更高效地进行判定。

另外，因为将包含满足上式(4)的频移在内的区域作为特定区域，所以至少除了频移取极值的情况之外使用频移进行温度解析。由此，可以更准确地进行温度解析。

另外，在本实施方式中，因为使用BOTDR法检测布里渊散射光的光谱，所以可以在各个时间检测从光纤12的泵浦光入射侧输出的布里渊散射光的光谱。因为各时间的布里渊散射光的光谱与沿着光纤12的长度方向的位置对应，所以可以测定沿着光纤12的长度方向的温度分布。

本发明不限于上述实施方式，可以进行各种变形。例如，特定区域也可以是与满足下式(8)所示的频移v_B(T)、前述线宽Δv_B(T)和温度T的关系的前述频移v_B(T)对应的区域。

〔式8〕

$\left|\frac{{\mathrm{dv}}_B\left(T\right)}{\mathrm{dT}}\right|<\left|\frac{\mathrm{d\&Delta;}{v}_B\left(T\right)}{\mathrm{dT}}\right|...\left(8\right)$

线宽Δv_B(T)在低温区域相对于温度T以线性变化。线宽Δv_B(T)相对于温度T的变化率，在频移v_B(T)取极值的温度附近，比频移v_B(T)相对于温度T的变化率大。由此，如式(8)所示，因为可以通过设定特定区域，至少在检测出的频移的温度微分系数小于检测出的线宽的温度微分系数的情况下，判定为属于特定区域，所以能够更准确地进行符合检测灵敏度的解析。

另外，在上述实施方式中，存储部14还可以关联存储频移的温度微分系数，作为与频移是否属于特定区域相关的区域信息。该情况下，判定部15存储在特定区域中包含的频移的温度微分系数的阈值，比较从检测部13输出的频移和阈值，进行频移是否属于特定区域的判定。

另外，在上述实施方式中，在表示频移属于特定区域的判定结果输出至解析部16的情况下，解析部16使用线宽解析温度，但也可以使用线宽和频移解析温度。

另外，在上述实施方式中，使用BOTDR装置10，利用BOTDR方法检测布里渊散射光的光谱，但也可以使用BOTDA装置10A，利用BOTDA方法检测布里渊散射光的光谱。在图4中表示具有BOTDA装置10A的温度测定装置1A的结构图。

BOTDA装置10A具有光源11A和检测部13A。光源11A分别输出作为脉冲光的泵浦光和作为连续光的探测光，向光纤12的一端入射泵浦光，向另一端入射探测光。检测部13A测定泵浦光入射端的由布里渊散射引起的探测光的变化成分，检测布里渊散射光的光谱作为时间的函数。

由此，因为使用BOTDA方法检测布里渊散射光的光谱，所以在各个时间检测从光纤12的一端输出的布里渊散射光的光谱。因为各时间的布里渊散射光的光谱，与沿着光纤12的长度方向的位置对应，所以可以测定沿着光纤12的长度方向的温度分布。

另外，也可以使用BOCDA装置，利用BOCDA法检测布里渊散射光的光谱。这可以利用与图4所示的结构相同的结构实现。该情况下，BOCDA装置具有光源和检测部。光源输出作为被频率调制的连续光的泵浦光及探测光，向光纤12的一端入射泵浦光，向另一端入射探测光。检测部检测泵浦光与探测光的相位同步而相关值高的位置的布里渊散射光的光谱。由此，因为使用BOCDA法检测布里渊散射光的光谱，所以可以测定沿光纤12的长度方向的温度分布。

另外，光纤12也可以根据被测定物5的形状，按照图5至图8所示的方式设置。图5至图8是表示本实施方式涉及的温度测定方法中的光纤12的设置例的图。如图5所示，可以沿被测定物5A的一个方向设置光纤12。如图6所示，也可以使光纤12沿着被测定物5B的一个方向双重设置。如图7所示，也可以使光纤12在被测定物5C的表面以蛇形设置。如图8所示，也可以沿着圆柱状的被测定物50的侧面以螺旋状卷绕设置光纤12。光纤12在被测定物为中空物体的情况下，也可以沿被测定物的内侧面设置。另外，光纤12也可以埋入构成被测定物的材料之中。

另外，还可以改变添加在光纤12的纤芯及包层中的掺杂剂的种类及添加量，以调整光纤12中的频移具有极值的温度。图9是表示本实施方式涉及的包含在温度测定装置中的光纤12的频移与温度的关系的曲线图。横轴表示光纤的温度T，纵轴表示频移v_B(T)。

虚线所示的曲线21表示从纤芯的添加物为零的光纤输出的布里渊散射光的光谱的频移。实线所示的曲线22，表示从在纤芯中添加20％的GeO₂后的光纤输出的布里渊散射光的光谱的频移。曲线21的极值为60K附近，而曲线22的极值为90K附近。由此，使用通过添加掺杂剂而调整了频移取极值的温度的光纤，从而改变与特定区域对应的温度范围。

另外，在上述实施例中，解析频移而进行温度的测定，但也可以解析布里渊散射光谱的峰值频率，即不解析频移而是解析频率绝对值。

可知从以上的本发明的说明可以将本发明进行多种变形。这种变形不能认为是脱离了本发明的思想及范围，所有对于本领域技术人员来说不言自明的改良，都包含在权利要求中。

工业实用性

根据本发明，可以使用布里渊散射更准确地解析低温区域的温度。

Claims (6)

1.一种温度测定装置，其特征在于，具有：

光源，其输出光；

光纤，其输入从前述光源输出的光，输出布里渊散射光；

检测单元，其检测前述布里渊散射光的光谱；

判定单元，其判定由前述检测单元检测出的前述布里渊散射光的光谱的频移，是否属于该频移相对于前述光纤温度的变化率小于规定值的特定区域；以及

解析单元，其在由前述判定单元判定前述频移不属于前述特定区域的情况下，使用前述频移解析前述温度，在由前述判定单元判定前述频移属于前述特定区域的情况下，至少使用由前述检测单元检测出的前述布里渊散射光的光谱的线宽解析前述温度，或不进行解析。

2.如权利要求1所述的温度测定装置，其特征在于，

还具有存储单元，其预先存储与频移是否属于前述特定区域相关的区域信息，

前述判定单元根据从前述存储单元取得的前述区域信息进行判定。

3.如权利要求1所述的温度测定装置，其特征在于，

在前述判定单元进行判定中使用的前述特定区域，是包含满足下式(1)所示的频移v_B(T)和温度T的关系的频移在内的区域。

〔式1〕

$\left|\frac{{\mathrm{dv}}_B\left(T\right)}{\mathrm{dT}}\right|=0...\left(1\right)$

4.如权利要求1所述的温度测定装置，其特征在于，

在前述判定单元进行判定中使用的前述特定区域，是包括满足下式(2)所示的频移v_B(T)、线宽Δv_B(T)和温度T的关系的频移v_B(T)的区域。

〔式2〕

$\left|\frac{{\mathrm{dv}}_B\left(T\right)}{\mathrm{dT}}\right|<\left|\frac{\mathrm{d\&Delta;}{v}_B\left(T\right)}{\mathrm{dT}}\right|...\left(2\right)$

5.一种温度测定方法，其特征在于，具有：

检测步骤，其向光纤输入光，检测对应于前述光的输入而从前述光纤输出的布里渊散射光的光谱；

判定步骤，其判定在前述检测步骤中检测出的前述布里渊散射光的光谱的频移，是否属于该频移相对于前述光纤温度的变化率小于规定值的特定区域；以及

解析步骤，其在前述判定步骤中判定前述频移不属于前述特定区域的情况下，使用前述频移解析前述温度，在前述判定步骤中判定前述频移属于前述特定区域的情况下，至少使用在前述检测步骤中检测出的前述布里渊散射光的光谱的线宽解析前述温度，或不进行解析。

6.如权利要求5所述的温度测定方法，其特征在于，

测定沿前述光纤的长度方向的温度分布。

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