CN102365536A - 温度测定系统以及温度测定方法 - Google Patents

Abstract

在温度测定系统和温度测定方法中，高精度地测定温度。包括：输出激光的激光光源(21)；铺设于温度测定区域的光纤(24)以及检测入射到光纤(24)内的激光的后方散射光，取得沿光纤(24)的铺设路径的温度测定区域的温度的测定温度分布，并且修正该测定温度分布，计算修正温度分布的温度测定部(27)；其中，温度测定部(27)为使沿铺设路径的光纤(24)的传递函数与修正温度分布的卷积与测定温度分布之间的平方误差在每次修正时变小，而对该测定温度分布逐次地进行多次修正，并且每当进行各次的修正时将铺设路径的特定点的修正后的温度替换成该特定点的推断温度。

Description

温度测定系统以及温度测定方法

技术领域

本发明涉及温度测定系统以及温度测定方法。

背景技术

在计算机室或网络数据中心(IDC)中，存在伴随着服务器等的电子设备的高密度化而电子设备的发热量急速增大的倾向，适当地冷却这些电子设备是令人期待的。

作为冷却电子设备的方法，例如，存在为了防止产生过度的热聚积而控制室内的气流的方法，或者通过空调对室内进行冷却的方法。

为了通过这些方法使室内始终保持最适宜的冷却状态，始终监控室内的温度测试点是有效的。尤其是，如果能够把握室内的三维的温度分布，那么利用该温度分布来控制空调等就能够使室内保持最适宜的冷却状态。

作为测定那样的温度分布的方法，已经知道的有将光纤用作温度传感器的方法。

但是，使用了光纤的温度测定中，虽然高精度地测定广阔范围的温度比较容易，但是高精度地测定如数据中心内的服务器等这样的狭窄范围的温度的方法还没有确立起来。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利文献特开2004-28748号公报

专利文献2：日本专利文献特开平6-109557号公报

非专利文献1：株式会社富士通研究所PRESS RELEASE“开发面对数据中心的实时多点温度测定技术”2008年4月4日

发明内容

发明所要解决的问题

本发明的目的是在温度测定系统和温度测定方法中高精度地测定温度。

用于解决问题的手段

根据以下公开的一个观点，提供一种温度测定系统，所述温度测定系统包括：输出激光的激光光源；铺设于温度测定区域，入射所述激光的光纤；以及检测入射到所述光纤内的所述激光的后方散射光，取得沿所述光纤的铺设路径的所述温度测定区域的温度的测定温度分布，并且修正该测定温度分布，计算修正温度分布的温度测定部；其中，所述温度测定部为使沿所述铺设路径的所述光纤的传递函数与所述修正温度分布的卷积、与所述测定温度分布之间的平方误差在每次进行修正时变小，而对该测定温度分布逐次地进行多次修正，并且每当进行各次的修正时将所述铺设路径的特定点处的修正后的温度替换成该特定点处的推断温度。

另外，根据该公开的其他的观点，提供一种温度测定方法，该温度测定方法包括：向铺设于温度测定区域的光纤入射激光，检测所述光纤内的所述激光的后方散射光，取得沿所述光纤的铺设路径的所述温度测定区域的温度的测定温度分布的步骤；以及修正所述测定温度分布取得修正温度分布的步骤；在取得所述修正温度分布的步骤中，为使沿所述铺设路径的所述光纤的传递函数与所述修正温度分布的卷积、与所述测定温度分布之间的平方误差在每次进行修正时变小，而对该测定温度分布逐次地进行多次修正，并且每当进行各次的修正时将所述铺设路径的特定点处的修正后的温度替换成该特定点处的推断温度。

发明的效果

根据公开的温度测定系统和温度测定方法，对测定温度分布逐次地进行修正，每当进行各次的修正时，通过将光纤的铺设路径的特定点的修正后的温度替换成该特定点的推断温度，明显地使修正温度分布接近实际温度分布。

附图说明

图1是示出适用了本实施方式的计算机室的结构的示意图；

图2是示出光纤的铺设例的截面图；

图3是示出本实施方式所涉及的温度测定系统的构成的示意图；

图4是示出在光纤中后方散射后的光的光谱的图；

图5是示出拉曼散射光的强度的时间序列分布的一个例子的图；

图6是基于图5的拉曼散射光的强度的时间序列分布按时间计算I₁/I₂比而得到的图；

图7是示出使用本实施方式所涉及的温度计测系统而得到的测定温度分布的图；

图8是由步进型的实际温度分布得到的温度计测系统的传递函数；

图9是示出将传递函数经傅里叶变换得到的函数的图；

图10是示出通过本实施方式所涉及的温度测定系统测定温度以比较高的空间频率变化的实际温度分布并由其得到的测定温度分布的图；

图11是示出用于测定温度分布的修正的反滤波器的一个例子的图；

图12是示出通过将反滤波器作用到测定温度分布来修正该测定温度分布得到的修正温度分布的图；

图13是示出在本实施方式中对测定温度分布的修正有用的光纤的铺设例的截面图；

图14是示出在光纤上，以加热中心为基准将-1m～1m的区间加热到55℃，以外的区间的温度维持在室温(约23℃)的情况下，通过本实施方式所涉及的温度测定系统得到的测定温度分布的图；

图15是示出在本实施方式中，考虑了来自热源的影响的光纤的铺设长度的示意图；

图16是示出本实施方式所涉及的温度测定方法的流程图；

图17是示出通过本实施方式所涉及的温度测定系统得到的测定温度分布的图；

图18是示出通过本实施方式所涉及的温度测定系统对测定温度分布进行了一次修正后的修正温度分布的图；

图19是示出通过本实施方式所涉及的温度测定系统进行了一次修正之后，替换了特定点的温度后的修正温度分布的图；

图20是示出通过本实施方式所涉及的温度测定系统，对测定温度分布进行了100次修正后的修正温度分布的图；

图21是示出使用比较例的修正结果的图；

图22是示出在实施例1中光纤的铺设状态的示意图；

图23是示出在实施例1中，通过热电对测定的温度分布、通过光纤温度计测系统测定的温度分布(修正前)以及通过本实施方式修正后的温度分布的图；

图24是示出在实施例2中光纤的铺设状态的示意图；

图25是示出在实施例2中，通过热电对测定的温度分布、通过光纤温度计测系统测定的温度分布(修正前)以及通过本实施方式的修正后的温度分布的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本实施方式进行详细的说明。

图1是示出适用了本实施方式的计算机室的结构的示意图。

计算机室的室内被大致分为机器设置区域10和活动地板15。

其中，在机器设置区域10配置有多个服务器机架11，在各机架11上容纳有刀片服务器等的多台计算机。另外，在各服务器机架11之间，设有用于管理者通行的通路或管理计算机时使用的管理空间。

另一方面，活动地板15设置于机器设置区域10的地板下。连接各机架11的电线或通信线等的各种电缆16以容纳在线管17中的状态配置在该活动地板15上。

由空调19供应冷风到该活动地板15，从开口于机器设置区域10的地板12上的通风口(栅格)12a将该冷风供应到机器设置区域10内，通过该冷风冷却各机架11内的计算机。

在这样的计算机室中，期望减少空调19消耗的空调能源。因此，优选在机器设置区域10和活动地板15上设置多个温度测试点，始终监控各点处的温度，并根据这样得到的温度分布来实时地控制空调19的风量等。

作为那样的实时地计测温度的多点温度计测方法，存在根据向光纤入射红外线激光脉冲时产生的拉曼散射光的强度的变化，在多点测量光纤本身的温度的方法。

图2是示出该光纤的铺设例的截面图。

如图2所示，光纤24被从由冷风始终维持在固定温度的活动地板15导入到服务器机架11内以及其附近。在服务器机架11内以及其附近，光纤24被铺设成从特别希望测定温度的点、即机架11的吸气口附近和排气口附近通过。

图3是示出使用了该光纤24的温度测定系统20的构成的示意图。另外，图4是示出在光纤24中后方散射后的光的光谱的图。

如图3所示，该温度计测系统20包括激光光源21、透镜22a、22b、分光镜23、光纤24、波长分离部25、光检测器26、温度测定部27。

从激光光源21以固定的周期输出预定的脉冲宽度的激光。该激光通过透镜22a、分光镜23以及透镜22b从光纤24的光源侧的端部进入到光纤24内。此外，在图2中，符号24a表示光纤24的包层，符号24b表示光纤24的芯。

进入到光纤24内的光的一部分，被光纤24的材料分子向后方散射。如图3所示，在后方散射光中包含：瑞利(Rayleigh)散射光、布里渊(Brillouin)散射光以及拉曼(Raman)散射光。瑞利散射光是与入射光相同波长的光，布里渊散射光以及拉曼散射光是从入射波长移相后的波长的光。

拉曼散射光中有：比入射光向长波长侧移相的斯托克斯光、和比入射光向短波长侧移相的反斯托克斯光。虽然斯托克斯光以及反斯托克斯光的移相量依赖于激光的波长和光纤24的材料，但是一般是50nm左右。另外，斯托克斯光由温度导致的变化量小，反斯托克斯光由温度导致的变化量大。即，斯托克斯光的温度依赖性小，反斯托克斯光的温度依赖性大。

如图3所示，这些后方散射光沿光纤24返回，从光源侧端部出射。并且，该后方散射光透过透镜22b，被分光镜23反射，进入波长分离部25。

波长分离部25包括根据波长而使光透过或者将光反射的分光镜31a、31b、31c，以及仅透过特定波长的光的滤光器33a、33b、33c。并且，该波长分离部25包括将透过滤光器33a、33b、33c的光分别聚光到光检测器26的受光部26a、26b、26c的聚光透镜34a、34b、34c。

入射到波长分离部25光被分光镜31a、31b、31c以及滤光器33a、33b、33c分离成瑞利散射光、斯托克斯光、以及反斯托克斯光，并被输入到光检测器26的受光部26a、26b、26c。其结果是，从受光部26a、26b、26c输出与瑞利散射光、斯托克斯光、以及反斯托克斯光的强度相应的信号。

并且，个人计算机等的温度测定部27基于从光检测器26输出的上述信号，取得沿光纤24的铺设路径的测定温度分布，并且如后述的那样修正该测定温度分布。

此外，输入到光检测器26的后方散射光的脉冲宽度与光纤24的长度有关。因此，从激光光源21输出的激光脉冲的间隔被设定成使得各激光脉冲导致的后方散射光不重叠。另外，激光的能量太高的话可能诱发拉曼散射状态从而不能正确地计测。因此，为了不诱发拉曼散射状态，优选控制激光光源21的能量。

如前述的那样，斯托克斯光的温度依赖性小，反斯托克斯光的温度依赖性大，因此能够通过两者之比来评价发生后方散射的位置的温度。在设入射光的角频率为ω₀，光纤中的光学声子的角频率为ω_k，普朗克常数为h，波尔兹曼常数为k，温度为T时，斯托克斯光以及反斯托克斯光的强度比通过以下的(1)式表示。

[数1]

$\frac{I_s^{\mathrm{anit}-\mathrm{stokes}}}{I_s^{\mathrm{stokes}}}={\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\ω}}_k}{{\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_k}\right)}^4\exp \left(\frac{-h{\mathrm{\ω}}_k}{2\mathrm{\πkT}}\right)\·\·\·\left(1\right)$

即，如果知道了斯托克斯光以及反斯托克斯光的强度比，就能够由(1)式计算发生后方散射的位置的温度。

但是，在光纤24内产生的后方散射光在沿光纤24返回的期间内衰减。因此，为了正确地评价发生后方散射的位置处的温度，需要考虑光的衰减。

图5是示出以时间为横轴，以从光检测器的受光部输出的信号强度为纵轴时，拉曼散射光的强度的时间序列分布的一个例子的图。刚刚向光纤24入射激光脉冲后的一定的时间，在光检测器26检测斯托克斯光以及反斯托克斯光。在整条光纤24的全长温度均匀的情况下，以激光脉冲入射到光纤24的时刻为基准，则信号强度随时间的流逝而减小。这种情况下，横轴的时间表示了从光纤24的光源侧端部到发生后方散射的位置的距离，信号强度的随时间的减小表示了由光纤24导致的光的衰减。

在整条光纤24的长度方向上温度不均匀的情况下，例如沿着长度方向存在高温部以及低温部的情况下，斯托克斯光以及反斯托克斯光的信号强度的衰减不一样，如图5所示表示信号强度随时间变化的曲线上出现峰和谷。在图5中，设某时刻t的反斯托克斯光的强度为I₁，斯托克斯光的强度为I₂。

图6是示出以图5的拉曼散射光的强度的时间序列分布为基础计算各个时刻的I₁/I₂比，并且将图5的横轴(时间)换算成距离，将纵轴(信号强度)换算成温度后的结果的图。如图6所示，通过计算反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比(I₁/I₂)，能够测定光纤24的长度方向上的温度分布。

此外，虽然发生后方散射的位置处的拉曼散射光(斯托克斯光以及反斯托克斯光)的强度因温度而变化，但是瑞利散射光的强度的温度依赖性小到可以忽略的程度。因此，优选由瑞利散射光的强度确定发生后方散射的位置，根据该位置修正光检测器中检测出的斯托克斯光以及反斯托克斯光的强度。

接着，针对使用了这样的光纤的温度计测系统20的问题进行探讨。

图7是示出使用温度计测系统20得到的测定温度分布的图。

在该例子中，通过将光纤24的预定部分24a浸入到55℃的热水中，造成了从室温上升到55℃的温度的步进型的实际温度分布。此外，将预定部分24a的长度假设为0.5m，1.0m，2.0m三种。

如图7所示，各测定温度分布是对实际温度分布作用了加权移动平均后的钝化的形状。由此，上述的温度计测系统20仅仅具有低的空间频率响应，即，可以理解为位置分辨率不好。

图8是由图7的步进型的实际温度分布得到的温度计测系统20的传递函数h，横轴表示离开加热中心的距离，纵轴表示温度的相对强度。

将该传递函数h进行傅里叶变换后，能够得到如图9那样形状的函数g。

如图9所示，函数g的能量光谱在空间频率约为0.6m^-1以上的区域中变为非常小的值。由此，上述的温度计测系统20具有将空间频率约为0.6m^-1以上的区域屏蔽的低通滤波器功能，可知在该区域中频率信息的大部分丢失。

在温度测定区域是隧道或者高炉等大规模的区域的情况下，实际温度沿光纤的铺设路径以长的周期变化，因此不要求温度测定系统有高精度的位置分辨率。

但是，如服务器机架11内以及其附近，实际温度沿光纤24的铺设路径以短的周期变化的情况下，因为高的空间频率分量包含于实际温度分布中，所以难以如上述那样在低通滤波器作用的状态下高精度地测定温度分布。

图10是示出以温度测定系统20测定温度以比较高的空间频率变化的实际温度分布，并由此得到的测定温度分布的图。

此外，在图10中实际温度分布是通过热电对而得到的温度的测定值分布。

如图10所示，测定温度分布成为如将实际温度分布从低通滤波器通过并进行加权移动平均后的形状。

由此可知，为了得到温度测定区域的高精度的温度分布，不能够直接利用温度测定系统20的测定温度分布，而需要适当地修正该测定温度分布而使其接近实际温度分布。

作为这样的修正测定温度分布的方法，例如，存在使低通滤波器逆处理的反滤波器，即高通滤波器作用于测定温度分布的方法。

图11是示出那样的反滤波器的特性的图。

此外，该反滤波器是在假定在空间频率为0.6m^-1以上的区域中测定温度分布存在噪声的情况下，来减小该噪声的放大而设计的。

图12是示出通过将该反滤波器作用到图10的测定温度分布，修正该测定温度分布而得到的修正温度分布的图。

如图12所示，对使用反滤波器进行修正与不修正的情况相比较，虽然峰变得尖锐，但是难以说能够高精度地恢复实际温度分布。

另外，由于低通滤波器的作用而失去的空间频率区域的频率分量的能量光谱比包含在测定时的噪声内的该空间频率区域的频率分量的能量光谱小的话，则该频率分量不能够使用反滤波器良好地恢复。

这样，仅仅简单地将反滤波器作用到测定温度分布，难以恢复在测定温度分布中失去的空间频率分量。

因此，在本实施方式中，如以下这样修正测定温度分布而使其接近实际温度分布。

图13是示出对测定温度分布的修正有用的光纤24的铺设例的截面图。

如图13所示，在该铺设例中，在地板12之下通过冷风而将温度保持恒定的活动地板15上，设置光纤24的第一卷绕部24x和第二卷绕部24y。

并且，在服务器机架11的排气口11a的附近设置光纤24的第三卷绕部24z。排气口11a是排出因发热的计算机而加热的风的部分，第三卷绕部24z被该热风加热到比室温高的温度。

另外，在图中的服务器机架11和其他的机架11的各自的内部以及其附近铺设光纤24以使通往第三卷绕部24z的来回路径是相同的路径。

虽然不特别地限定各卷绕部24x、24y、24z的直径，但是其下限优选是光纤24所允许的最小弯曲半径的(约15mm)的2倍。

另一方面，对于各卷绕部24x、24y、24z的直径的上限，优选为卷绕部容纳于在空间上能够视为相同的温度的区域的直径，例如45mm。这样，在光纤24的铺设路径之中，被缠绕到各卷绕部24x、24y、24z的区间能够被视为保持在固定的温度。

例如，被缠绕于第一卷绕部24x和第二卷绕部24y的区间的光纤24能够被视为保持在活动地板的温度。并且，被缠绕于第三卷绕部24z的区间的光纤24能够被视为保持在散热口11a附近的温度。

另外，在光纤24的铺设路径之中，对缠绕于第一卷绕部24x和第二卷绕部24y的区间的长度也没有特别地限定，但是在本实施方式中如以下这样确定该区间的长度。

图14是示出在光纤24之中，以加热中心为基准将-1m～1m的区间加热到55℃，并将其以外的区间的温度维持在室温(约23℃)的情况下，通过温度测定系统20得到的测定温度分布的图。

如图14所示，测定温度分布在被加热的-1m～1m的区间的外侧具有边缘部分，该部分的测定温度不等于实际温度即室温。这是因为，若光纤的铺设路径的两点之间存在温度差，由于该温度差会使得各点处的温度测定结果受到影响的缘故。

这样的实际温度与测定温度的乖离随着温度测定点离开被加热的区域越远而变得越小。

例如，根据图8所示的传递函数h可知，在从原点开始计数的第三个零点X₃(＝3.3m)的附近，传递函数h实际上收敛于0，该零点附近的测定温度没有受到位于原点的热源的影响。

因此，在图13的光纤24的铺设路径之中，如果假设分别缠绕于卷绕部24x、24y的区间的长度大于等于零点X₃的绝对值，即使在该区间的外侧的铺设路径中存在热源，在该区间也存在不受热源的影响的、相当于卷绕部24x、24y处的实际温度的温度测定点。

图15是示出考虑了来自那样的热源的影响的光纤24的铺设长度的示意图。

在图15的例子中，将邻接的服务器机架11之间的光纤24的长度设为D₁，将光纤24从各卷绕部24x、24y进入比活动地板15温度高的部分即地板12以上的区域的长度设为D₂。

这种情况下，热源是服务器机架11内的计算机。另外，光纤24的铺设路径之中，位于活动地板15内的区间G由于冷风，可以视为温度保持恒定。

此外，在该例子中，对各卷绕部24x、24y的每个分配区间G，区间G的始点为地板12，终点为邻接的机架11的中点P。

设缠绕于各卷绕部24x、24y上的部分的光纤24的长度为D₃，则该区间G中光纤24的长度L为D₁/2+D₂+D₃。如果取该长度L大于等于上述的传递函数h的零点X₃的绝对值的话，则在该区间G中存在不受服务器机架11内的计算机的热量影响的温度测定点，例如中点P。

因此，在该区间G内有多个温度测定点的情况下，则能够推断其中的一个测定点，例如中点P处的温度与区间G内其他的测定点的温度是相同的。

如后述的那样，在本实施方式中利用这样的区间G处的测定温度的相同性，来进行测定温度分布的修正。

各长度D₁、D₂、D₃并不特别受到限定，只要区间G中的光纤24的长度L大于等于传递函数h的零点X₃的绝对值(3.3m)即可。在本例子中，通过设D₁为1.0m，D₂为0.5m，D₃为2.3m，长度L为3.3m，则该长度L大于等于传递函数h的零点X₃的绝对值(3.3m)。

在图15所示的光纤24的铺设例中，除了上述的区间G处的测定温度的相同性之外，还有下面的性质。

例如，在服务器机架11的内部以及附近，因为光纤24被铺设为使通往第三卷绕部24z的来回路径是相同的路径，因此在该路径上存在能够视为相同温度的光纤24的重复点H₁，H₂。

因此，在测定温度分布的修正时，能够附加重复点H₁，H₂的修正温度是相同的温度的条件。

根据同样的理由，对于第三卷绕部24z上的光纤24的任意的点，能够视为是温度实质上相同的重复点K_i，能够附加各重复点K_i的修正温度是相同的温度的条件。

以下，对通过利用了这些性质的温度测定系统20的温度测定方法进行说明。

该温度测定系统20的温度测定区域是机器设置区域10和活动地板15，服务器机架11内以及其附近的区域的温度测定尤其是重点。

图16是示出本实施方式所涉及的温度测定方法的流程图。该流程图中的各步骤是已经叙述过的温度测定部27中进行的步骤。

在最初的步骤S1中，使用温度测定系统20，取得如图17所示的沿光纤24的铺设路径的温度测定区域的温度的测定温度分布。

图17的横轴表示离开光纤24的端部的距离，纵轴表示温度测定系统20测定的温度。

在该例子中，在光纤24的多个温度测定点处测定温度，各温度测定点彼此的间隔设为0.1m。而且，针对该温度测定点的若干个来同时设置用于测定实际温度的热电对。

如图17所示，通过温度测定系统20得到的测定温度分布与通过热电对得到的实际温度分布相乖离。

因此，在接着的步骤S2中，如下这样修正测定温度分布而使其接近实际分布。

首先，测定温度分布以下面的式(2)表示。

[数2]

$y={\left\{y_k\right\}}_{k=0}^{k=\∞}\·\·\·\left(2\right)$

这里，分量y_k中的下标k表示沿光纤的铺设路径的测定点，分量y_k表示从该测定点k处的温度测定值中减去没有温度变化的区域的温度测定值(在图15所例举的例子中，中点P的温度值T_AB)后的值。

另外，实际温度分布以下面的式(3)表示。

[数3]

$x={\left\{x_i\right\}}_{i=0}^{i=\∞}\·\·\·\left(3\right)$

与式(2)同样地，分量x_i中的下标i表示测定点，分量x_i表示从该测定点i的实际温度中减去没有温度变化的区域的温度测定值(在图15所例举的例子中，中点P的温度值T_AB)后的值。

这时，测定温度分布y作为实际温度分布x与传递函数h的卷积，能够以下面的式(4)表示。

[数4]

$y_k=\underset{i=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{k-i}{x}_i\·\·\·\left(4\right)$

但是，i的范围是满足下标k-i大于等于0的条件的范围。

另外，也能够将式(4)按照每个分量写成式(5)。

[数5]

$\left.\begin{array}{c}{y}_0=h_0{x}_0\\ y_1=h_0{x}_1+h_1{x}_0\\ y_2=h_0{x}_2+h_1{x}_1+h_2{x}_0\end{array}\right\}\·\·\·\left(5\right)$

根据式(5)，将式(5)视为是对于h_j的联立方程式，传递函数的各分量h_i-j能够通过最小二乘法计算出来。

作为求解传递函数的各分量h_i-j时的实际温度分布x和测定温度分布y，例如，能够使用如图14所示的步进型的实际温度分布和与此对应的测定温度分布。

此外，因为光纤24具有群延迟特性，所以传递函数h根据离开光源的距离而变化。因此，对整条光纤24的全长不能够唯一地定义传递函数h。但是，如果是光纤24的短的区间，将光纤24中光信号的损失和延迟视为是一样的，则能够在该区间内唯一地定义传递函数h。

另外，传递函数h不仅根据离开光源的距离而不同，还根据光纤24的材料和入射的激光的脉冲波形、以及光检测器26的脉冲响应特性而不同。因此，在求解传递函数的各分量h_i-j的情况下，优选求解符合与实际计测温度时同样的条件的各分量h_i-j。

但是，关注并考虑在式(4)中存在温度变化的区域，其前后的区域是没有温度变化的区域，那些区域的各分量x_i、y_k是0，在式(4)中是不需要计算，没有意义的分量。因此，从式(3)的各分量中，仅仅将存在温度变化的关注区域前后的、除去了全部0分量后的分量集中起来，其列向量以下面的式(6)来表示。

[数6]

x＝(x₀，x₁，x₂，…，x_n)^t    …(6)

另外，对于测定温度分布也一样，没有温度变化的区域的各分量0是不需要计算没有意义的分量，因此从式(2)的各分量中，仅仅将存在温度变化的关注区域前后的、除去了全部0分量后的分量集中起来，其列向量以下面的式(7)来表示。

[数7]

y＝(y₀，y₁，y₂，…，y_m)^t    …(7)

虽然式(6)、(7)的列向量的分量的个数分别为n+1、m+1，但是关于m、n，m比n大。这是因为：如图14所示，在横向上测定温度分布比实际温度分布宽，测定温度分布的非0分量的个数多。

如式(6)、(7)那样，将实际温度分布x和测定温度分布y设为有限维列向量，将式(5)以下面的式(8)的形式表示的情况下，[H]是基于传递函数h被构成的具有(m+1)×(n+1)个的有限个分量。这样构成的[H]称为传递函数的矩阵表示。

[数8]

y＝[H]x    …(8)

但是，式(8)的列向量x、y的维数如式(6)、(7)那样是有限维。

在式(8)中，y的各分量y_i是通过温度测定得到的m+1个值，能够将[H]视为是联立方程式(m+1)×(n+1)的系数矩阵。因为有如上述那样的m＞n的关系，所以该联立方程式不能得到关于x的唯一解。

因此，在本实施方式中考虑下面的式(9)这样的平方误差e。

[数9]

e＝‖y-[H]X‖²＝(y-[H]X)^t(y-[H]X)    …(9)

此外，与实际温度分布同样地，式(9)的列向量X是具有下面的式(10)这样的分量的n维向量。

[数10]

X＝(X₀，X₁，X₂，…，X_n)^t    …(10)

减小式(9)的e的分布X也近似满足式(8)。并且，式(9)的e越小则近似的精度越高，分布X越接近实际温度分布。以下，将分布X称为测定温度分布y的修正温度分布。据此，式(9)将沿铺设路径的光纤24的传递函数h和修正温度分布X进行卷积，则能够得到计算出与测定温度分布y的平方误差e的式子。

为了求得使该平方误差e尽量小的修正温度分布X，通过下面的式(11)计算出式(9)的平方误差e的梯度向量

[数11]

$\frac{\∂e}{\∂X}=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂e}{{\∂X}_1}\\ \frac{\∂e}{\∂X_2}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\∂e}{{\∂X}_m}\end{array}\right]=\frac{\∂}{\∂X}{\left|\right|y-\left[H\right]X\left|\right|}^2$

$=-2{\left[H\right]}^t(y-[H\left]X\right)$

$=-2({\left[H\right]}^{t}y-{\left[H\right]}^t[H\left]X\right)\·\·\·\left(11\right)$

使用最小二乘法来确定X的各分量x_i以使该梯度向量

为0。

此外，考虑测定时的噪声，如果微增式(11)中的[H]^t[H]的对角分量，则能够抑制噪声的高频分量的放大而提高容限。通过前述的反滤波器的修正(参照图12)相当于使用该最小二乘法计算出的修正。

这里，梯度向量

表示平方误差e增加的方向，因此如果向反号的方向

进行则平方误差e减小。

那么，在本实施方式中，如下面的式(12)这样逐次对X进行修正。

[数12]

$X^{(k+1)}=X^{\left(k\right)}-\mathrm{\α}\frac{\∂e}{\∂X}{|}_{X=X^{\left(k\right)}}\·\·\·\left(12\right)$

这里，k表示修正的反复次数，X^(k)是进行了k次修正后的修正温度分布。该X^(k)能够以下面的式(13)这样按分量表示。

[数13]

$X^{\left(k\right)}={(X_0^{\left(k\right)},X_1^{\left(k\right)},...,X_n^{\left(k\right)})}^t\·\·\·\left(13\right)$

并且，α是使式(12)收敛的正的修正系数，经验上可以在0.5～1的范围内选择。以下按α为0.5进行计算。

另外，作为初始值的X⁽⁰⁾是零向量，为了计算式(12)中的使用微增了[H]^t[H]的对角分量的式(11)。

在本实施方式中，通过使用式(12)进行反复计算，逐次地多次进行比X^(k)平方误差e更小的修正温度分布X^(k+1)的计算。

然而，如参照图15说明的那样，光纤24的铺设路径之中，能够推断出区间G中多个测定点i的温度与中点P处的温度相同。

因此，在本实施方式中，在每当通过式(12)进行各次修正计算时，将区间G内的第一以及第二卷绕部24x、24y中所含的多个测定点i所对应的分量x_i ^(k)替换成中点P处的测定温度。如定义式(6)、(7)时说明的那样，列向量x、y、X的各分量是从实际的值中减去中点P处的测定温度T_AB后的值，因此被置换后的各分量x_i ^(k)的值为0(＝T_AB-T_AB)。

从该测定温度T_AB求得的0(＝T_AB-T_AB)是在测定温度分布y的多个分量y_i之中，相当于中点P处的测定点的分量的值，具有在区间G中作为共同的推断温度的意义。

此外，在区间G中的共同的推断温度不限于上述的温度0(＝T_AB-T_AB)。例如，也可以将与位于测定各卷绕部24x、24y所包含的实际温度的区域的多个测定点i对应的测定温度分布y的多个分量y_i的平均值作为该测定点的共同的推断温度。那样的情况下，通过将缠绕于各卷绕部24x、24y的部分的光纤24的长度D₃取的比已经说明的2.3m长，则相当于测定这些卷绕部24x、24y所包含的实际温度的区域的测定点i的个数增加，温度的推断精度提高。并且，通过这样地延长长度D₃，也能够使其更难于受到邻接的服务器机架11的温度的影响。

另外，如参照图15说明的那样，在从各卷绕部24x，24y到第三卷绕部24z的来回的光纤24中存在能够视为相同温度的重复点H₁、H₂。因此，针对这些重复点，每当通过式(12)进行修正计算时，也将各重复点H₁、H₂的修正温度分布的分量x_i1 ^(k)、x_i2 ^(k)替换成这些重复点H₁、H₂的各自的修正温度的平均值X_avg1(＝(x_i1 ^(k)+x_i2 ^(k))/2)。该修正温度x_i1 ^(k)、x_i2 ^(k)是修正温度分布X^(k)的多个分量x_i ^(k)之中，相当于各重复点H₁、H₂的测定点I₁、I₂的分量的值，这些平均值X_avg1具有作为重复点H₁、H₂的共同的推断温度的意义。

并且，与此同样地，针对第三卷绕部24z的多个重复点K_i，每当通过式(12)进行修正计算时，能够将各重复点K_i的测定温度分布的分量x_i ^(k)替换成这些重复点K_i的各自的修正温度x_i ^(k)的平均值X_avg2。与上述同样地，该修正温度x_i ^(k)是修正温度分布X^(k)的多个分量x_i ^(k)之中，相当于各重复点K_i的测定点i的分量的值。并且，这些平均值X_avg1具有作为各重复点K_i的共同的推断温度的意义。

例如，在本实施方式中，如已经说明的那样，光纤24的温度测定点彼此的间隔设为0.1m，因此在缠绕于第三卷绕部24z的部分的光纤24的长度为0.5m时，重复点K_i的个数是5个(＝0.5m/0.1m)。因此，在每次进行修正计算时，能够将这些重复点K_i-2、K_i-1、K_i、K_i+1、K_i+2的修正温度分布的分量x_i-2 ^(k)、x_i-1 ^(k)、x_i ^(k)、x_i+1 ^(k)、x_i+2 ^(k)替换成这些各点的各自的修正温度x_i-2 ^(k)、x_i-1 ^(k)、x_i ^(k)、x_i+1 ^(k)、x_i+2 ^(k)的平均值X_avg2(＝(x_i-2 ^(k)+x_{i- 1} ^(k)+x_i ^(k)+x_i+1 ^(k)+x_i+2 ^(k))/5)。

那么，如上述的那样能够视为各卷绕部24x、24y分别具有的多个测定点i的温度为相同的温度T_AB。如定义式(6)、(7)时所述的那样，列向量x、y、X的各分量是从实际的温度的值中减去该T_AB后的值。因此，为了求得最终的修正温度分布T_{iomp_i}，以式(12)进行了需要的反复次数(n次)的计算结束之后，如下面的式(14)那样再加上温度T_AB即可。

[数14]

$T_{\mathrm{iomp}\_i}=X_i^{\left(n\right)}+T_{\mathrm{AB}}\·\·\·\left(14\right)$

另外，光纤24之中，第一以及第二卷绕部24x、24y通过冷风来防止温度上升，而其以外的部分由于位于比活动地板15温度高的地板12的上方，所以不会比卷绕部24x、24y温度更低。

该条件以下面的式(15)表示。

[数15]

$X_i^{\left(k\right)}\≥0\·\·\·\left(15\right)$

并且，在通过式(12)进行的第k次的计算中如果有x_i ^(k)＜0的分量，将该分量x_i ^(k)设成0之后，再进行第k+1次的计算。

这样，在温度测定区域中存在已经知道温度大于等于预定温度的部分的情况下，当使用了式(12)的该部分的修正后的温度变得比上述预定温度低时，优选将该部分处的修正后的温度替换成该预定温度来简化计算。

另外，与此相反，在温度测定区域中存在已经知道温度小于等于预定温度的部分的情况下，当使用了式(12)该部分的修正后的温度变得比上述预定温度高时，优选将该部分处的修正后的温度替换成该预定温度。

在步骤S2中，如这样地使用式(12)反复进行修正计算，对于平方误差e的减小量的指标，例如根据e⁽ⁿ⁾-e^(n-1)变为小于等于预定值时的x_i ⁽ⁿ⁾求得最终的修正温度分布T_{iomp_i}。此外，e⁽ⁿ⁾是使用通过式(12)进行n次修正得到的X⁽ⁿ⁾，由式(9)求得的平方误差。

以上，本实施方式所涉及的温度测定方法的主要步骤结束。

根据该温度测定方法，每当使用了式(12)的各次的修正时，将光纤24的铺设路径的特定点处的修正温度分布x_i ^(k)替换成预定值。

例如，对于区间G，中点P处的测定温度替换为0＝(T_AB-T_AB)，对于重复点H₁、H₂，替换成平均值X_avg1。并且，对于第三卷绕部24z具有的多个重复点K_i，也替换成平均值X_avg2。

接着，对通过这样的替换而得到的好处进行说明。

图18～图20是示出修正后的测定温度分布的图，横轴表示离开光纤24的端部的距离，纵轴表示温度。

图18是通过式(12)进行了1次修正后的图。如图18所示，1次修正不能消除实际温度分布与修正温度分布的乖离。

图19是进行了1次修正之后，在各区域、区间G、以及各点H₁、H₂、K_i进行了上述的替换后的图。如图19所示，进行了替换的部分的修正温度分布的温度值变得与实际分布大致相同。

图20是反复进行了100次这样的修正计算后的图。如图20所示，进行了100次修正计算后，修正温度分布变得与实际温度分布大致一致。

图21是示出使用了比较例的修正结果的图。在比较例中，与本实施方式不同，不将光纤24的铺设路径的特定点处的修正温度分布x_i ^(k)替换成预定值，而通过式(12)进行了100次修正。如图21所示，了解到比较例中没有消除与实际温度分布的乖离。

这样，在本实施方式中每当通过式(12)进行修正计算时，通过将光纤24的铺设路径的特定点处的修正温度分布x_i ^(k)替换成预定值，能够得到与实际温度分布接近的修正温度分布。

由此，即使是如服务器机架11内这样的实际温度沿光纤24的铺设路径以短的周期变化的情况，也能够高精度地进行温度测定。

并且，通过利用该温度测定结果，实时地控制空调19(参照图1)的风量来抑制该空调能源的同时，能够最优地保持机器设置区域10等的冷却状态。

以下，对使用本实施方式来测定服务器机架内的温度分布的实施例进行说明。

(实施例1)

如图22所示，在服务器机架11的排气侧的门上铺设了光纤24。即，在活动地板内的相同位置上配置光纤24的卷绕部24x、24y，将卷绕部24x、24y之间的光纤24引出到机架11内沿排气门从下到上来回铺设。图22中的符号241表示去路侧的光纤，符号242表示来路侧的光纤。另外，为了进行比较沿光纤24配置多个热电对，也通过这些热电对测定了机架11以及活动地板的温度分布。

图23是示出以光纤24的长度方向的位置为横轴，以温度为纵轴，通过热电对测定的温度分布、通过光纤温度计测系统20测定的温度分布(修正前)以及通过本实施方式的修正后的温度分布的图。这里，反复进行了100次使用了式(12)的修正，每次修正时，将对应于卷绕部24x、24y的区域的测定点的温度替换成相当于图15的区间G中的中点P的测定点的温度。

如图23所示，修正后的温度分布与通过热电对测定的温度分布几乎一致。另外，修正后的温度分布能够捕获光纤的去路241与来路242的温度分布的差异。

(实施例2)

如图24所示，在服务器机架的排气侧的门上铺设了光纤24。即，在活动地板内的相同位置上配置光纤24卷绕部24x、24y，将卷绕部24x、24y之间的光纤24引出到机架11内沿排气门从下到上来回铺设。但是，在去路上在机架内搭载的4台服务器(未图示)的排气口所对应的位置上配置了光纤的卷绕部A、B、C、D。另外，来路的光纤被铺设为除了卷绕部A、B、C、D的部分以及其附近的部分，与去路的光纤通过相同的位置。并且，为了进行比较沿光纤24配置多个热电对，也通过这些热电对测定了机架11以及活动地板的温度分布。

图25是示出以光纤24的长度方向的位置为横轴，以温度为纵轴，通过热电对测定的温度分布、通过光纤温度计测系统20测定的温度分布(修正前)以及通过本实施方式的修正后的温度分布的图。这里，反复进行了100次使用了式(12)的修正，每次修正时，将对应于卷绕部24x、24y的区域的测定点的温度替换成相当于图15的区间G中的中点P的测定点的温度。另外，每次修正时，在卷绕部A、B、C、D所对应的区域中将该区域的测定点的温度替换成各卷绕部A、B、C、D的平均温度，去路与来路通过相同位置的部分将这些部分的温度替换成这些温度的平均温度。

如图25所示，修正后的温度分布与通过热电对测定的温度分布几乎一致。另外，能够捕捉包括卷绕部A、B、C、D和其周边部分的广阔范围的温度分布。

知道通过上述的实施例1、2中的任一个，由在空间上温度值被平均化的修正前的温度分布能够得到接近真正的温度分布的修正温度分布。另外，如上述的实施例1、2那样，能够进行考虑了能够使用于应该把握温度分布的区域或一个机架的光纤长度等的最优的光纤的铺设。

Claims (20)

1.一种温度测定系统，其特征在于，包括：

激光光源，该激光光源输出激光；

光纤，该光纤被铺设于温度测定区域，所述激光入射到所述光纤中；以及

温度测定部，检测入射到所述光纤内的所述激光的后方散射光，取得沿所述光纤的铺设路径的所述温度测定区域的温度的测定温度分布，并且修正该测定温度分布，计算修正温度分布；

其中，

所述温度测定部为使沿所述铺设路径的所述光纤的传递函数与所述修正温度分布的卷积、与所述测定温度分布之间的平方误差在每次修正时变小，而对该测定温度分布逐次地进行多次修正，并且每当进行各次的修正时将所述铺设路径的特定点处的修正后的温度替换成该特定点处的推断温度。

2.根据权利要求1所述的温度测定系统，其特征在于，

所述特定点是在所述光纤被重复地配置的区间内存在的多个温度测定点，

所述推断温度是所述修正温度分布中所述多个温度测定点的平均温度。

3.根据权利要求1所述的温度测定系统，其特征在于，

所述特定点是在所述铺设路径中保持固定温度的区间内存在的多个温度测定点，

所述推断温度是在所述测定温度分布中所述多个测定点之中的一个的温度，或者是所述多个测定点的平均温度。

4.根据权利要求3所述的温度测定系统，其特征在于，

所述区间的长度是大于等于所述光纤的传递函数的第三个零点的绝对值的长度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的温度测定系统，其特征在于，

在所述温度测定区域中存在已经知道温度大于等于预定温度的部分的情况下，当该部分处的修正后的温度变得低于所述预定温度时，将该部分处的所述修正后的所述温度替换成所述预定温度。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的温度测定系统，其特征在于，

在所述温度测定区域中存在已经知道温度小于等于预定温度的部分的情况下，当该部分处的修正后的温度变得高于所述预定温度时，将该部分处的所述修正后的所述温度替换成所述预定温度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的温度测定系统，其特征在于，

所述温度计测区域包含在计算机室内容纳多台计算机的机架内的区域。

8.根据权利要求7所述的温度测定系统，其特征在于，

所述光纤沿着所述机架的排气侧的门而配置。

9.根据权利要求7所述的温度测定系统，其特征在于，

所述光纤在所述机架的外侧具有卷绕部，并且在对应于容纳在所述机架内的所述计算机的排气口的位置上具有卷绕部。

10.一种温度测定方法，其特征在于，包括：

向铺设于温度测定区域的光纤入射激光，检测所述光纤内的所述激光的后方散射光，取得沿所述光纤的铺设路径的所述温度测定区域的温度的测定温度分布的步骤；以及

修正所述测定温度分布，取得修正温度分布的步骤；

在取得所述修正温度分布的步骤中，为使沿所述铺设路径的所述光纤的传递函数与所述修正温度分布的卷积、与所述测定温度分布之间的平方误差在每次修正时变小，而对该测定温度分布逐次地进行多次修正，并且每当进行各次的修正时，将所述铺设路径的特定点处的修正后的温度替换成该特定点处的推断温度。

11.根据权利要求10所述的温度测定方法，其特征在于，

在取得所述修正温度分布的步骤中，当所述平方误差的减小量变得小于等于预定值时结束所述修正。

12.根据权利要求10所述的温度测定方法，其特征在于，

所述特定点是在所述光纤被重复地配置的区间内存在的多个温度测定点，

所述推断温度是所述修正温度分布中所述多个温度测定点的平均温度。

13.根据权利要求10所述的温度测定方法，其特征在于，

所述特定点是在所述铺设路径中保持固定温度的区间内存在的多个温度测定点，

所述推断温度是在所述测定温度分布中所述多个测定点之中的一个的温度，或者是所述多个测定点的平均温度。

14.根据权利要求10所述的温度测定方法，其特征在于，

在所述温度测定区域中存在已经知道温度大于等于预定温度的部分的情况下，当该部分处的修正后的温度变得低于所述预定温度时，将该部分处的所述修正后的所述温度替换成所述预定温度。

15.根据权利要求10所述的温度测定方法，其特征在于，

在所述温度测定区域中存在已经知道温度小于等于预定温度的部分的情况下，当该部分处的修正后的温度变得高于所述预定温度时，将该部分处的所述修正后的所述温度替换成所述预定温度。

16.一种温度测定装置，其特征在于，包括：

温度测定部，检测入射到光纤内的激光的后方散射，取得沿所述光纤的铺设路径的温度计测区域的测定温度分布，并且修正该测定温度分布，计算修正温度分布，

所述温度测定部为使沿所述铺设路径的所述光纤的传递函数与所述修正温度分布的卷积、与所述测定温度分布之间的平方误差在每次修正时变小，而对该测定温度分布逐次地进行多次修正，并且每当进行各次的修正时将所述铺设路径的特定点处的修正后的温度替换成该特定点处的推断温度。

17.根据权利要求16所述的温度测定装置，其特征在于，

所述特定点是在所述光纤被重复地配置的区间内存在的多个温度测定点，

所述推断温度是所述修正温度分布中所述多个温度测定点的平均温度。

18.根据权利要求16所述的温度测定装置，其特征在于，

所述特定点是在所述铺设路径中保持固定温度的区间内存在的多个温度测定点，

所述推断温度是在所述测定温度分布中所述多个测定点之中的一个的温度，或者是所述多个测定点的平均温度。

19.根据权利要求16所述的温度测定装置，其特征在于，

所述区间的长度大于等于所述光纤的传递函数的第三个零点的绝对值的长度。

20.根据权利要求16至权利要求19中任一项所述的温度测定装置，其特征在于，

在所述温度测定区域中存在已经知道温度大于等于预定温度的部分的情况下，当该部分处的修正后的温度变得低于所述预定温度时，将该部分处的所述修正后的所述温度替换成所述预定温度。

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