DE4019980A1 - Temperatursensoranordnung, die ueber eine faseroptik verteilt ist - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein eine Temperatursensoranordnung, die über eine Faseroptik verteilt ist und Raman-Streulicht ausnutzt.

Eine faseroptische Temperaturverteilungs-Sensoranordnung, die Raman-Streulicht verwendet, mißt eine Temperaturverteilung entlang einer optischen Faser auf folgende Art und Weise: unter Bezugnahme auf Fig. 46 der beigefügten Zeichnung ist ein Lichtstrahl von einem Ende der optischen Sensorfaser, der eine Wellenlänge λo, eine Impulsbreite Tw und eine Impulsperiode Tp hat, ein einfallender Lichtstrahl. Zurückgestreute Lichtstrahlen (reflektiertes Licht) mit Komponenten von Raman-Streulicht, das in der optischen Faser erzeugt wird, von denen ein Stokes-Licht mit einer Wellenlänge λs und das andere Anti-Stokes-Licht mit einer Wellenlänge λas ist, werden mit einem Abtastzeitintervall Ts gemessen, wobei eine Impulslichteinfallzeit t=0 ist, wie in Fig. 47 gezeigt. Dann werden die Zeitfunktionen Ia(t) und Is(t) der Intensität von Anti-Stokes-Licht und Stokes-Licht jeweils als Funktionen des Abtastzeitintervalls Ts erhalten. Mit der Tatsache, daß das Verhältnis von Ia(t)/Is(t) eine reine Funktion der Zeit ist, und mit der anderen Tatsache, daß die Zeit, bis das Streulicht, das in einer Position x in der optischen Faser erzeugt wird (nachdem der Lichtimpuls eingegeben ist), zu dem Lichtimpuls-Einfallende (Reflexionslicht-Meßteil) zurückkehrt, 2X/Co (Co: Lichtgeschwindigkeit in der Lichtleitfaser) ist, wird eine Temperaturverteilungsmessung entlang der optischen Faser ausgeführt. Hier ist die zeitliche Breite Tr (Fig. 47) für die Reflexionslichtmessung 2L/Co (L: Länge der optischen Faser), und die in dieser Zeit Tr gemessenen Daten geben Information über die Temperaturverteilung. Die Messungen für das zurückgestreute Licht aus Stokes-Licht und Anti-Stokes-Licht werden durch ein Verfahren ausgeführt, welches ähnlich einem Verfahren ist, welches für eine OTDR-(optische Reflektometrie in der Zeitebene)-Einrichtung verwendet wird, die im allgemeinen zum Erfassen von Brüchen oder Bruchpunkten der Lichtleitfaser verwendet wird.

Ein Temperaturverteilungs-Meßsystem, daß diese Temperaturverteilungs-Sensoranordnung vom Lichtleitfasertyp, die einen Vorteil aus dem Raman-Streulicht zieht, verwendet, wird z. B. wie folgt eingesetzt: Die optische Faser (Sensor) wird entlang eines Netzkabels verlegt, um die Temperaturverteilung entlang der Längsrichtung des Kabels zu erfassen. Die Erfassung macht es möglich, einen Grad der Leistungsübertragung zu steuern und eine Verschlechterung des Kabels aufzufinden durch Erfassen eines Abschnitts mit abnormal hoher Temperatur. Es ist weiterhin möglich, ein Feuer zu erfassen, wenn der Sensor in einer Fabrik, einem Gebäude oder einem Tunnel verwendet wird.

Fig. 45 zeigt eine herkömmliche Temperaturverteilungs-Sensoranordnung vom Lichtleitfasertyp, die Raman-Streulicht verwendet. Der Sensor enthält eine optische Faser 6 als Sensor und ein Temperaturverteilungs-Meßsystem 2.

Impulslicht von einer Impulslichtquelle 4 für den Sensor des Temperaturverteilungs-Meßsystems 2 wird in eine Lichtleitfaser 6 (den Sensor selbst) über eine Lichtleitfaser 5a und eine optische Ausschalt- oder Verzweigungseinrichtung bzw. einen Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 5 eingeführt. Ein Teil des zurückgestreuten Lichts (reflektiertes Licht), das in der optischen Sensorfaser 6 erzeugt wird, kehrt zu dem Meßsystem 2 zurück und wird in einen optischen Richtungskoppler (Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer) 7 über den optischen Richtungskoppler (Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer) 5 und eine Lichtleitfaser 5b geleitet.

Ein Teil des reflektierten Lichts, das von dem Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 7 geteilt ist, wird in die optische Faser 7a eingeführt und dieser Teil geht in ein Anti-Stokes-Lichtmeßsystem 30a derart, daß die Zeitfunktion Ia(t) der Anti-Stokes-Lichtintensität aus der Lichtintensität des zuvorerwähnten Teils erhalten wird. Das optische Anti-Stokes-Meßsystem 30a enthält ein optisches Filter 8a für das Anti-Stokes-Licht mit einer mittleren Wellenlänge λas, eine Lichtempfangseinrichtung (Detektor) 9a und eine Mittelungsschaltung 10a. Andererseits wird ein anderer Teil des reflektierten Lichts, welches von dem Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 7 abgetrennt wird, in eine andere optische Faser 7b eingeführt und wird in ein Stokes-Licht-Meßsystem 30b derart geleitet, daß die Zeitfunktion Is(t) der Stokes-Lichtintensität aus der Lichtintensität des zuvorerwähnten anderen Teils erhalten wird. Das optische Stokes-Meßsystem 30b enthält ein optisches Filter 8b für das Stokes-Licht mit einer mittleren Wellenlänge λs, eine Lichtempfangseinrichtung (Detektor) 9b und eine Mittelungsschaltung 10b. Ein Wert Ia(t)/Is(t) wird erhalten durch eine Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung 11, um letztendlich die Temperaturverteilung entlang der optischen Sensorfaser zu gewinnen. Eine Einrichtung 16 dient zum Anzeigen der Temperaturverteilung.

Bei einer herkömmlichen Temperaturverteilungs-Sensoranordnung vom Lichtleitfasertyp, die Raman-Streulicht verwendet, wird das von der Lichtquelle emittierte Licht in die optische Sensorfaser über den Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 5 geführt, und das in der optischen Faser erzeugte Streulicht wird über Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 5 und 7 als auch die optischen Filter zu dem Anti-Stokes-Licht- oder dem Stokes-Licht-Meßsystem geführt. Daher trifft ein Verlust von zumindest 9 dB an den Lichtwellenlängen-Aufteilern/Demultiplexern gemäß einer theoretischen Berechnung auf (3 dB, wenn Licht durch einen Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer geht). Dieser Verlust verschlechtert die Meßgenauigkeit.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine über eine Faseroptik verteilte Temperatursensoranordnung zu schaffen, die eine geringe Dämpfung von Signallicht hat, um dadurch die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine über eine Faseroptik verteilte Temperatursensoranordnung geschaffen, die die Temperaturverteilung entlang der Längsrichtung der optischen Faser ermittelt durch Messen der Temperaturabhängigkeit der Intensität von Raman-Streulicht, welches in der optischen Faser erzeugt wird, und zwar unter Verwendung der OTDR-Technik, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht von der Lichtquelle in die optische Sensorfaser über einen Lichtwellen-Aufteiler/Demultiplexer geführt wird, daß Licht mit einer Wellenlänge in einem besonderen Bereich von dem reflektierten Licht des zurückgestreuten Lichts, welches von der optischen Sensorfaser zurückkehrt, von zumindest einem optischen Filter reflektiert wird oder durch dieses geht (der Lichtwellen-Aufteiler/Demultiplexer enthält das optische Filter), um das Licht aufzuteilen, und daß das optische Signal in die Lichtempfangseinrichtung (Detektor) des optischen Meßsystems geführt wird.

Die Lichtwellen-Aufteilungs/Demultiplexer-Einrichtung enthält ein erstes Filter, welches die Wellenlänge der Lichtquelle durchläßt und Raman-Streulicht reflektiert, ein zweites Filter, das Licht empfängt, das von dem ersten Filter reflektiert wird, und Raman-Streulicht reflektiert, ein drittes Filter, das Licht empfängt, das von dem zweiten Filter reflektiert wird, und Wellenlängen von Anti-Stokes-Licht durchläßt und Wellenlängen von Stokes-Licht reflektiert, und ein viertes Filter, das Licht empfängt, das von dem dritten Filter reflektiert wird, und Wellenlängen von Stokes-Licht reflektiert. Vorzugsweise wird das Anti-Stokes-Licht, das durch das dritte Filter geht, in das Meßsystem für das Anti-Stokes-Licht geführt, und das von dem vierten Filter reflektierte Stokes-Licht wird in das Meßsystem für das Stokes-Licht geführt.

Bei einer Modifikation enthält die Lichtwellen-Aufteilungs/Demultiplexer-Einrichtung ein erstes Filter, das Wellenlängen der Lichtquelle durchläßt und Raman-Streulicht reflektiert, und ein zweites Filter, das Licht von der Lichtquelle, das durch das erste Filter gegangen ist, durchläßt aber Anti-Stokes-Licht reflektiert. In diesem Fall ist es möglich, daß das von dem ersten Filter reflektierte Stokes-Licht in das Meßsystem für das Stokes-Licht eingeführt wird, wohingegen das von dem zweiten Filter reflektierte Anti-Stokes-Licht in ein weiteres Meßsystem für das Anti-Stokes-Licht eingeführt wird. Auch in diesem Fall ist vorzuziehen, daß zumindest ein drittes Filter, das die Wellenlänge der Lichtquelle durchläßt aber die Wellenlänge von Stokes-Licht reflektiert, in dem optischen Weg vorgesehen ist, der das von dem ersten Filter reflektierte Stokes-Licht in das Stokes-Licht-Meßsystem führt, oder daß ein viertes Filter, das Wellenlängen der Lichtquelle durchläßt, aber Wellenlängen von Anti-Stokes-Licht reflektiert, in einem optischen Weg vorgesehen ist, der das von dem zweiten Filter reflektierte Anti-Stokes-Licht in das Anti-Stokes-Licht-Meßsystem führt.

Vorzugsweise enthält der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer ein Bandpaßfilter, das Stokes-Licht mit einer mittleren Wellenlänge λs in dem Raman-Streulicht von Anti-Stokes-Licht mit einer mittleren Wellenlänge λa in dem Raman-Streulicht trennt, und daß das Bandpaßfilter den folgenden Gleichungen genügt (1-3):

λ_s1 = λ_s - k1 · Δλ_s (1)
λ_s2 = λ_s + k2 · Δλ_s
λ_a1 = λ_a - k2 · Δλ_a (2)
λ_a2 = λ_a + k1 · Δλ_a

k1 = -0,2 to +0,5 (3)
k2 0,2

wobei
λs1, λs2: Grenzwellenlänge des Bandpaßfilter für Stokes-Licht;
λa1, λa2: Grenzwellenlänge des Bandpaßfilter für Anti-Stokes-Licht;
Δλs: Differenz zwischen der mittleren Wellenlänge des Eingangslichts und der mittleren Wellenlänge von Stokes-Licht;
Δλa: Differenz zwischen der mittleren Wellenlänge des Eingangslichts und der mittleren Wellenlänge von Anti-Stokes-Licht;

Der optische Verlust der Lichtquelle und der des Lichtsignals werden reduziert und die Meßgenauigkeit der Temperaturverteilungs-Sensoreinrichtung wird verbessert durch Ersetzen der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer, die in einem Abschnitt, der das Licht von der Lichtquelle in die optische Sensorfaser führt, und in einem Abschnitt verwendet werden, der das von der optischen Sensorfaser zurückkehrende Lichtsignal in das optische Meßsystem führt, durch den Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer, der die optischen Filter enthält. Wenn das erste Filter, das die Wellenlänge der Lichtquelle durchläßt aber Raman-Streulicht reflektiert, und das zweite Filter das Licht, das das erste Filter passiert hat, durchläßt aber Anti-Stokes-Licht reflektiert, getrennt vorgesehen sind, ist es möglich, die Länge des optischen Weges für Anti-Stokes-Licht an die Länge des optischen Weges für Stokes-Licht in dem Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer anzugleichen und weiterhin den räumlichen Übertragungsverlust von Stokes-Licht an den von Anti-Stokes-Licht anzugleichen. Das dritte oder das vierte Filter machen es möglich, das Licht in die Richtung zu emittieren, in der das Stokes-Licht-Meßsystem oder das Anti-Stokes-Licht-Meßsystem angeordnet sind.

Wenn die Bandpaßfilter, die die Gleichungen (1), (2) und (3) erfüllen, verwendet werden, wird der Unterschied zwischen der optischen Intensität von Anti-Stokes-Licht (oder Stokes-Licht) zu und der Intensität von Rayleigh-Streulicht groß, so daß das Raman-Streulicht effektiv erfaßt wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Temperaturverteilungs-Sensoranordnung vom Lichtleitfasertyp geschaffen, die ein Paar von Filtern enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine winkelmäßige Einstellung beim Koppeln von zwei Lichtstrahlen möglich ist durch gleichzeitige Drehung der zwei Filter, die auf einer einzelnen, wechselseitig einstellenden Platte derart gegenüberliegend angeordnet sind, daß die Abstandseinstellung (der Abstand zwischen den zwei Filtern auf der Platte) möglich ist, wodurch die Kopplungseinstellungen zwischen den Lichtleitfaser-Verbindungsanschlüssen leicht werden und die Koppeleffizienz verbessert wird.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Detektieren einer verteilungskurvenartigen Information von physikalischen Daten von z. B. einem optischen Verlust entlang einer optischen Faser geschaffen unter Verwendung eines Temperaturverteilungssensors vom Lichtleitfasertyp, wobei Impulslicht mit kurzen Zeitintervallen in die optische Faser eingeführt wird, eine Vielzahl von zurückgestreuten Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen, die in der optischen Faser bei dem Einführen des Impulslichts erzeugt werden, mit den gleichen Abtastintervallen empfangen werden, und eine verteilungskurvenartige Information von physikalischen Daten, wie der optische Verlust, entlang einer optischen Faser aus der relativen Beziehung zwischen den abgetasteten Daten für die Signale von jeweiligen Wellenlängen erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich der Entfernungen in der optischen Faser, die aus denselben Abtastnummern und den Übertragungsraten der jeweiligen Wellenlängen berechnet werden, wenn der Abstand erhalten wird unter Verwendung des Lichts mit einer Referenzwellenlänge sich von der Entfernung, die erhalten wird unter Verwendung des Lichts mit einer unterschiedlichen Wellenlänge unterscheidet, die Signalerzeugungsposition des Lichts mit der unterschiedlichen Wellenlänge eingestellt oder kompensiert wird unter Verwendung der Entfernungskomponenten, Zeitkomponenten und Abtastnummern, und zwar auf der Basis der jeweiligen Übertragungsraten für die jeweiligen Wellenlängen derart, daß sie eine etwa gleiche Entfernung erhält wie die Signalerzeugungsposition der Referenzwellenlänge.

Wenn die Signalwellen der Vielzahl von zurückgestreuten Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen zu denselben Abtastzeitpunkten abgetastet werden, tritt ein Unterschied zwischen dem Licht mit der Referenzwellenlänge (Welle a) und dem anderen Licht mit einer unterschiedlichen Wellenlänge (Welle b) bezüglich der berechneten Entfernungen in der optischen Faser auf, da die Übertragungsrate von der Wellenlänge abhängt. Diese Differenz wird akkumuliert, wenn sich die Abtastnummer erhöht. In der vorliegenden Erfindung werden, um diesen Fehler zu eliminieren, die Informationen über die Entfernung in der optischen Faser berechnet unter Berücksichtigung des Übertragungsratenunterschieds zwischen den Wellen a und b und die Informationen werden in eine Vielzahl von Informationen bei den angenähert gleichen Positionen gewandelt, um notwendige Informationen an den kompensierten Positionen zu erhalten. Im Detail werden die Entfernungskomponenten, die Zeitkomponenten und/oder die Abtastanzahlen kompensiert, und zwar auf der Basis der Übertragungsraten der Wellen a und b derart, daß die Signalerzeugungsposition der Welle b gleich der Signalerzeugungsposition der Welle a (die Welle a ist die Referenzwelle) wird. Daher ist dieses Verfahren in dem Fall von Vorteil, wo die Übertragungsraten der Wellen a und b bekannt und konstant sind.

Eine Modifikation dieses Verfahrens ist wie folgt: Anstelle des Verwendens der Übertragungsraten für die jeweiligen bekannten Wellenlängen wird eine relative Geschwindigkeit von jeweiligen Wellenlängen verwendet, die aus Verhältnissen von Abtastnummern gewonnen wird, oder es wird eine Zeit verwendet, die benötigt wird, bis das gestreute Licht oder das reflektierte Licht von einer bekannten Position in der optischen Faser, die die Information erfaßt, zurückkehrt.

Gemäß dieser Modifikation werden die Übertragungsraten ersetzt durch die relative Rate von jeweiligen Wellenlängen, die aus einem Verhältnis von Zeiten gewonnen wird, die benötigt werden, bis das gestreute oder das reflektierte Licht von einer Position in der optischen Faser zurückkehrt, was eine bereits bekannte Position ist wie das entfernte Ende (freie Ende) der optischen Faser, oder aus einem Verhältnis von Abtastnummern. Daher ist dieser Ansatz von Vorteil, wenn die Übertragungsraten der Wellen a und b unbekannt sind oder wenn sie sich verändern.

Gemäß dem Verfahren des dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung mit der obigen Modifikation werden aus der relativen Beziehung zwischen dem Wert des Signals bei dem ersten Abtastzeitpunkt für das Licht mit der Referenzwellenlänge und dem Wert bei dem Abtastzeitpunkt entsprechend dem ersten Abtastzeitpunkt, der erhalten wird aus Interpolation von zwei Werten von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen zu Abtastzeitpunkten vor und nach dem ersten Abtastzeitpunkt, Informationen an einer Position erhalten, die aus dem ersten Abtastzeitpunkt für das Licht mit der Referenzwellenlänge erhalten wird, wodurch die Informationsverteilung entlang der optischen Faser erhalten wird.

Weiterhin wird die Information bei der Position des Lichts mit der Referenzwellenlänge aus der relativen Beziehung des Werts des Signals von dem Licht mit der Referenzwellenlänge bei einem gewissen Abtastzeitpunkt oder einer gewissen Abtastposition und dem Wert zu einer Zeit oder einer Position entsprechend der zuvorerwähnten gewissen Zeit oder Position erhalten, die aus einer Interpolation von zwei Werten von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen zu Zeiten oder Positionen vor oder nach dem zuvor erwähnten gewissen Abtastzeitpunkt oder der gewissen Position erhalten wird.

Eine weitere Modifikation ist wie folgt: Bezüglich der Entfernung in der optischen Faser, die aus denselben Abtastanzahlen und den Übertragungsraten der jeweiligen Wellenlängen berechnet wird, wobei die Entfernung, die aus dem Licht mit der Referenzwellenlänge erhalten wird, unterschiedlich ist von der Entfernung, die aus einem anderen Licht mit einer anderen Wellenlänge erhalten wird, und diese Entfernungsdifferenz eine vorbestimmte Entfernung überschreitet, die innerhalb einer Entfernung liegt, die aus dem Abtastintervall und der Übertragungsrate (oder der relativen Rate) des Lichts mit der Referenzwellenlänge berechnet wird, werden die Abtastnummern um eins verschoben, und dieses Verschieben der Abtastnummern wird wiederholt, wenn die vorbestimmte Entfernung überschritten wird. Eine Informationsverteilung wird aus der relativen Beziehung zwischen Signalwerten des Lichts mit der anderen Wellenlänge, die auf diese Weise erhalten wird, und Signalwerten des Lichts mit der Referenzwellenlänge erhalten.

Gemäß dieser Modifikation werden jedesmal, wenn die Entfernungsdifferenz ein vorbestimmtes Entfernungsintervall wie die Hälfte einer Entfernung La, die aus dem Abtastintervall und der Übertragungsrate von Licht mit der Referenzwellenlänge oder der relativen Rate berechnet wird, erreicht, die Abtastanzahlen hiernach um eins verschoben und das Verschieben wird wiederholt. In diesem Fall - wie in dem vor dieser Modifikation beschriebenen Fall - werden die Signalerzeugungspositionen der Wellen a und b angepaßt, um miteinander übereinzustimmen. Ein Ausdruck "um ein vorbestimmtes Entfernungsintervall zu erreichen" kann bedeuten "um eine Zeit entsprechend der vorbestimmten Entfernung zu erreichen" und/oder "um eine Abtastnummer entsprechend der vorbestimmten Entfernung zu erreichen".

Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine über eine Faseroptik verteilte Temperatursensor-Anordnung geschaffen, die eine Temperaturverteilung in der Nähe des freien Endes der optischen Faser erfassen kann. Hierzu wird eine Antireflexbehandlung an den freien Endabschnitt der optischen Faser aufgebracht, um das an den freien Endabschnitt reflektierte Licht beträchtlich zu verringern. Dies eliminiert den Einfluß von reflektiertem Licht am freien Endabschnitt auf das gestreute Licht und macht es möglich, die Temperaturverteilung entlang der gesamten optischen Faser zu messen.

Die Antireflexbehandlung kann durch andere Maßnahmen ersetzt werden. Zum Beispiel kann ein GaAs-Sensor mit GaAs und einem reflektierenden Film an dem freien Ende der Lichtleitfaser vorgesehen sein. Das durch die optische Faser übertragene Licht wird durch den GaAs-Sensor am freien Ende der optischen Faser reflektiert und wieder über die optische Faser übertragen. In dieser Situation wird das Licht von einer ersten Laserstrahlquelle, d.h das Licht mit einer kurzen Wellenlänge, welches leicht von dem GaAs absorbiert wird, von dem GaAs absorbiert, so daß das reflektierte Licht reduziert wird. Andererseits, da das Licht einer zweiten Laserstrahlquelle, d. h. das Licht mit einer langen Wellenlänge, das als Referenzlicht dient, von dem GaAs nicht absorbiert wird, bleibt dieses reflektierte Licht konstant. Das Licht mit der Wellenlänge in der Nähe der Endwellenlänge des absorbierenden Bereichs des GaAs-Sensors, d. h. das Rayleigh-Streulicht, wird von einer ersten Lichtempfangseinrichtung (einem ersten Detektor) detektiert, wohingegen das Referenzlicht des GaAs-Sensors von einer zweiten Lichtempfangseinrichtung (einem zweiten Detektor) detektiert wird, und dann wird ein Stärkenverhältnis dieser zwei Lichtstrahlen berechnet, um eine Temperatur am freien Ende der optischen Faser zu erhalten.

Als eine Modifikation des vorangegangenen können Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer an einem oder mehreren Teilen der optischen Sensorfaser vorgesehen sein und die GaAs-Sensoren mit GaAs und dem reflektierenden Film werden an den freien Enden der verzweigten optischen Fasern angebracht.

Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Messen einer Temperaturverteilung unter Verwendung eines Steuersignal-Meßsystems und einer APD (Avalanche-Fotodiode) geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemittelter Wert (Meßergebnisse) der Intensitäten des Anti-Stokes-Lichts und des Stokes-Lichts des Steuersignal-Meßsystems, das zum Steuern einer Erfassungsempfindlichkeit der APD verwendet wird, nicht direkt verwendet wird. Stattdessen wird eine Temperatur des Steuersignal-Meßsystems verarbeitet und auch als eine Information für die APD-Erfassungsempfindlichkeits-Steuerung verwendet.

Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Temperaturverteilung-Meßsensoranordnung geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Berechnungseinrichtung zum Erhalten der Übertragungsverlustdifferenz von zwei Komponenten (dem Anti-Stokes-Licht und dem Stokes-Licht) des Raman-Streulichts vorgesehen ist, die notwendig ist zur Berechnung der Temperaturverteilung unter Verwendung der gemessenen Raman-Streulichtintensität, wodurch die Temperaturverteilungsmessung einer beliebigen optischen Faser mit hoher Genauigkeit realisiert wird, selbst wenn sich der Übertragungsverlust mit der Zeit ändert. Mit dieser Sensoranordnung wird eine Beziehung zwischen dem Übertragungsverlust der optischen Faser und den gemessenen Werten von zwei Komponenten von Raman-Streulicht abgeleitet, der Einfluß des Übertragungsverlustes der optischen Faser auf die Temperaturmessung wird eliminiert und der Übertragungsverlust für die zwei Komponenten von Raman-Streulicht wird aus der zuvor genannten Beziehung erhalten.

Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Temperaturverteilungs-Meßsensoranordnung geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reflexionsplatte am freien Ende der optischen Sensorfaser derart vorgesehen ist, daß das von einem Meßsystem eingegebene Licht vollständig durch die Reflexionsplatte reflektiert wird, und daß das Meßsystem eine optische Meßeinheit zum Messen einer (z. B. dem Anti-Stokes-Licht) von zwei Komponenten des zurückgestreuten Lichts der optischen Sensorfaser und eine Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung enthält zum Erhalten der Temperaturverteilung entlang der optischen Sensorfaser durch Verarbeiten der Streulichtintensität a′ von durch die Reflexionsplatte reflektiertem Licht und einer Streulichtintensität a von übertragenem Licht eines optischen Impulses, der von einer Lichtquelle ausgegeben wird, wobei das Licht von einer Lichtquelle emittiert und von der optischen Meßeinheit gemessen wird.

Da es möglich ist, die Temperaturinformation unter Verwendung von nur einer Komponente des Raman-Streulichts zu gewinnen und der Einfluß des optischen Verlustes durch die Verarbeitung einer Summe der Streulichtintensitäten a und a′ eliminiert wird, wird die Meßgenauigkeit bemerkenswert verbessert. Weiterhin ist die Anordnung einfach und kostengünstig.

Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Temperaturverteilungs-Meßsensoranordnung geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß, um eine Temperatur eines Objektes das kleiner ist als die minimale, von dem System erfaßbare Entfernung, zu erfassen, die optische Faser auf eine Länge von mehr als dem zweifachen der minimal erfaßbaren Entfernung ausgezogen wird und dieser ausgezogene Abschnitt in der Form einer "8" gewunden und in einem ovalen Gehäuse plaziert wird, um einen Spotsensor vom Lichtleitfasertyp ohne Schleifen und Diffusions- bzw. Schmelzkoppeln der optischen Sensorfaser zu bilden, die bereits installiert ist.

Der Grund, warum der 8förmige optische Faserteil gebildet wird, ist wie folgt: Wenn die optische Faser geschnitten bzw. geschliffen und gewunden wird, ist es möglich, die optische Faser während des Windens nicht zu verdrehen. Ohne Schleifen, wenn die optische Faser gewunden wird, wird die optische Faser jedoch um eine Drehung (360°) pro Windung verdreht, so daß die Anzahl der Verdrehungen sich proportional mit der Anzahl der Windungen erhöht. Andererseits, wenn die optische Faser in der Form einer "8" gewunden ist, wird die optische Faser mit der ersten halben Windung in einer Richtung um 180° verdreht und bei der zweiten halben Windung in entgegengesetzter Richtung um 180° gedreht, wodurch die Verdrehungen ausgeglichen sind und sich die Anzahl der Verdrehungen nicht erhöht.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 Eine Ansicht, die eine Ausführungsform eines faseroptischen Temperaturverteilungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine Ansicht, die einen Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer erläutert, der für den Sensor nach Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 3 einen Satz von charakteristischen Diagrammen von optischen Filtern, die für die Lichtwellen-Aufteilungs/Demultiplexereinrichtung nach Fig. 2 verwendet werden;

Fig. 4 ein Satz von Spektraldiagrammen von Raman-Streulicht;

Fig. 5 eine Ansicht eines Bands eines Bandpaßfilters;

Fig. 6 ein Satz von Ansichten, die hilfreich sind, um Charakteristiken des optischen Filters und der optischen Intensität des Streulichts zu erläutern, was einer der Hauptteile der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 7 Charakteristiken eines optischen Filters, welches in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 8 einen Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer, der in einer dritten und einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 9 Charakteristiken eines optischen Filters, welches in der dritten Ausführungsform verwendet wird;

Fig. 10 ein Satz von charakteristischen Diagrammen von optischen Filtern, die in der fünften bis achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden;

Fig. 11 Kombinationen der optischen Filter, die in der fünften bis achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden;

Fig. 12 ein Beispiel der Lichtwellen-Aufteilungs/Demultiplexereinrichtung, die in einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 13 einen Satz von Ansichten, die charakteristische Diagramme von optischen Filtern zeigen, die für die Lichtwellen-Aufteilungs/Demultiplexereinrichtung nach Fig. 12 verwendet werden;

Fig. 14 ein Satz von Ansichten, die Charakteristiken von optischen Filtern zeigen, die in einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden;

Fig. 15 einen optischen Wellenaufteiler einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 16 einen Satz von Ansichten, die Charakteristiken von optischen Filtern zeigen, die in der zehnten und elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden;

Fig. 17 Kombination von optischen Filtern, die in der dreizehnten bis sechzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden;

Fig. 18 eine Ausführungsform der Licht-Aufteilungs/Demultiplexereinrichtung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 19 eine Schnittansicht eines Entfernungseinstellmechanismus des optischen Wellenaufteilers nach Fig. 18;

Fig. 20 ein Satz von Ansichten, die Charakteristiken der optischen Filter zeigen, die für den Wellenaufteiler nach Fig. 18 verwendet werden;

Fig. 21 eine Ansicht, die hilfreich ist, um einen Fall zu erläutern, bei dem Signale bei unterschiedlichen Positionen empfangen werden, wenn Wellenlängen von zurückgestreutem Licht unterschiedlich sind, und zwar selbst wenn sie zum gleichen Zeitpunkt abgetastet werden;

Fig. 22 ein Beispiel, wie Signale bei angenähert denselben Positionen unter den empfangenen Signalen aufgenommen werden;

Fig. 23 einen Satz von Ansichten, die eine konkrete Technik zeigen, wie Signale von einem freien Ende einer optischen Faser zu gewinnen sind;

Fig. 24 einen Satz von Ansichten, die eine Technik zeigen, wie das freie Ende herauszufinden ist, wenn das zurückgestreute Licht in der Nähe des freien Endes und das reflektierte Fresnel-Licht innerhalb eines kurzen Zeitintervalls zurückkehren;

Fig. 25 ein Satz von Ansichten, die hilfreich sind, um einen Betrieb einer herkömmlichen faseroptischen Temperaturverteilungs-Sensoranordnung zu erläutern;

Fig. 26 eine Schnittansicht, die das freie Ende der optischen Faser der faseroptischen Temperaturverteilungs-Sensoranordnung zeigt;

Fig. 27 einen Satz von Ansichten, die hilfreich sind, einen Betrieb der faseroptischen Temperaturverteilungs-Sensoranordnung der vorliegenden Erfindung zu erläutern;

Fig. 28 eine perspektivische Ansicht eines zu messenden Gegenstandes;

Fig. 29(A) ein Blockdiagramm der Temperaturverteilungs-Sensoranordnung vom Lichtleitfasertyp gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 29(B) ein Konstruktionsdiagramm des Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers;

Fig. 29(C) die Charakteristiken der in dem Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer verwendeten optischen Filters;

Fig. 30 ein freies Ende der Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 31 ein weiteres Blockdiagramm der Temperatursensor-Anordnung vom Lichtleitfasertyp gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 32 ein Signal, das den freien Enden der Lichtleitfaser entspricht, an denen die GaAs-Sensoren angebracht sind;

Fig. 33 ein Relaxations-Phänomen, welches in einem Meßergebnis der Temperaturverteilung auftritt;

Fig. 34 ein weiteres Blockdiagramm einer Temperaturverteilungs-Sensoranordnung vom Lichtleitfasertyp gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 35 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 36 ein Satz von Ansichten, die hilfreich sind, um einen Übertragungsverlust der optischen Fasern zu erläutern, wobei Fig. 36(a) insbesondere einen Fall zeigt, bei dem ein Absorptionsverlust in einem bestimmten Wellenlängenbereich auftritt, und Fig. 36(b) ein Meßergebnis der Übertragungsverlustdifferenz der Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 37 ein schematisches Blockdiagramm der Temperaturverteilungs-Sensoranordnung vom Lichtleitfasertyp gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 38 ein Meßergebnis der Veränderung der Intensität des zurückgestreuten Lichts mit der Zeit, und zwar gemessen durch die Sensoranordnung nach Fig. 37;

Fig. 39 ein Meßergebnis der Intensität des zurückgestreuten Lichts entlang der optischen Faser, und zwar gemessen durch die Sensoranordnung nach Fig. 37;

Fig. 40 ein Meßergebnis einer Beziehung zwischen der Intensität des zurückgestreuten Lichts, die nur von der Temperatur und der Entfernung in der optischen Faser abhängt;

Fig. 41 ein Meßergebnis der Intensität des zurückgestreuten Lichts entlang der optischen Faser, wenn der Rayleigh-Streuverlust entfernt wird;

Fig. 42 eine schematische Gesamtschnittansicht des Spot-Sensors vom Lichtleitfasertyp gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 43 eine Schnittansicht, die entlang der Linie B-B der Fig. 42 genommen wird;

Fig. 44 ein Diagramm, das einen Verdrehungseffekt hinsichtlich einer Beziehung zwischen einem Biegedurchmesser und optischen Verlustcharakteristiken zeigt;

Fig. 45 eine herkömmliche Temperaturverteilungs-Sensoranordnung vom Lichtleitfasertyp;

Fig. 46 ein Zeitdiagramm eines Beispiels der in die Lichtleitfaser geleiteten Impulslichtfolge; und

Fig. 47 ein Zeitdiagramm des reflektierten Lichts.

Im folgenden wird die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.

(A) Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer Ausführungsform

Der Aufbau eines Temperaturverteilungssensors vom Lichtleitfasertyp, der in Fig. 1 gezeigt ist, ist ähnlich dem herkömmlichen Sensor, der in Fig. 45 gezeigt ist. Es wird jedoch ein Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 15 zwischen einer pulsierenden Lichtquelle 4, einer optischen Faser 6 für den Sensor und Lichtempfangseinrichtungen (Detektoren) 30a, 30b verwendet.

Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 15 aus Verbindungsanschlüssen P1, P2, P3 und P4 und optischen Filtern F1, F2, F3 und F4 aufgebaut. Die optischen Filter haben jeweils die in Fig. 3 gezeigten Charakteristiken.

In Fig. 3 sind eine mittlere Wellenlänge λo des von der Lichtquelle emittierten Lichts, eine Wellenlänge λa von Anti-Stokes-Licht, eine Wellenlänge λs von Stokes-Licht und ein Segment gezeigt, welches durch die schrägen Linien angedeutet ist und für einen Bereich steht, in dem keine Vorkehrungen oder Bestimmungen dahingehend getroffen wurden, ob Licht durchgeht oder reflektiert wird. Ein erster Filter F1 dieser optischen Filter hat die Charakteristik, daß es Licht mit der Wellenlänge λo durchläßt und Licht mit den Wellenlängen λa, λs reflektiert. Ein zweites Filter F2 ist geeignet zum Empfangen des von dem ersten Filter reflektierten Lichts und hat eine Charakteristik, die die Wellenlängen λa, λs reflektiert. Das Filter F2 hat jedoch einen Bereich, in dem keine Festlegung getroffen wurde, ob Licht mit der Wellenlänge λo durchgelassen oder reflektiert wird, und zwar da kein Anlaß besteht. Ein drittes Filter F3 empfängt von dem zweiten Filter F2 reflektiertes Licht und läßt Licht mit der Wellenlänge λa gedämpft durch, reflektiert Licht mit der Wellenlänge λs und ist für die Wellenlänge λo nicht spezifiziert. Ein viertes Filter F4 hat eine Charakteristik, durch die es Wellenlängen λs reflektiert und bezüglich der Wellenlängen λa und λo nicht spezifiziert ist.

In dem Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 15 sind die Lichtquelle 4 mit dem Verbindungsanschluß P1, die Lichtleitfaser 6 mit dem Verbindungsanschluß P2, ein Meßsystem 30a für Anti-Stokes-Licht mit dem Verbindungsanschluß P3 und ein Meßsystem 30b für Stokes-Licht mit dem Verbindungsanschluß P4 verbunden. Demzufolge wird Licht mit der Wellenlänge λo, das von der Lichtquelle an dem Verbindungsanschluß P1 angelegt wird, über das erste Filter F1 in die Lichtleitfaser 6 des Verbindungsanschlusses 2 eingeführt. Licht mit der Wellenlänge λa aus dem zurückgestreuten Licht, das von der Lichtleitphase 6 zurückkehrt, wird von dem ersten Filter F1 und dem zweiten Filter F2 reflektiert und erreicht das dritte Filter F3, durch das es durchgeht, und wird dann in das Meßsystem 30a für Anti-Stokes-Licht eingeführt. Licht mit der Wellenlänge λs wird von den Filtern F1, F2, F3 und F4 reflektiert und dann über den Verbindungsanschluß P4 in das Meßsystem 30b für Stokes-Licht eingeführt.

Wenn der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 15 mit dem oben beschriebenen Aufbau verwendet wird, wird der zwischen der Lichtquelle 4, der Lichtleitfaser 6 und den Lichtempfängern 9a oder 9b hervorgerufene Lichtverlust wie folgt bestimmt. Man nimmt an, daß der Lichtverlust, der erzeugt wird, wenn Licht in der Form von parallelen Strahlen zwischen zwei Verbindungsanschlüssen übertragen wird, 2 dB beträgt, der Lichtverlust, der erzeugt wird, wenn Licht durch die optischen Filter geht, 0,5 dB pro Filter (eine Lage) beträgt und der Lichtverlust, der erzeugt wird, wenn Licht von den optischen Filtern reflektiert wird, 0,25 dB pro Lage beträgt. Mit anderen Worten beträgt der Lichtverlust, der zwischen der Lichtquelle 4 und der Lichtleitfaser 6 erzeugt wird, 2,5 dB (= 2 + 0,5), der zwischen der Lichtleitfaser 6 und dem Lichtempfänger 9a für Anti-Stokes-Licht erzeugte Lichtverlust wird 3 dB (= 2 + 0,5 + 0,25 × 2), und der zwischen der Lichtleitfaser 6 und dem Lichtempfänger 9b für Stokes-Licht entwickelte Lichtverlust wird 3,5 dB (= 2 + 0,5 + 0,25 × 4). Somit ist der Gesamtlichtverlust zwischen der Lichtquelle 4, der Lichtleitfaser 6 und dem Empfänger 9a bzw. 9b 5,5 dB für Anti-Stokes-Licht (λa) und beträgt 6,0 dB für Stokes-Licht (λs).

Andererseits, unter der Annahme, daß der durch einen herkömmlichen Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 5, 7 erzeugte Lichtverlust 4 dB (Verzweigungsverlust 3 dB + Überschußverlust 1 dB) beträgt und der bei dem optischen Filter erzeugte Raumübertragungsverlust 1 dB beträgt, wird der Gesamtlichtverlust bei einem Verfahren, bei dem der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 5, 7 und optische Filter 8a, 8b verwendet werden, zu 13,5 dB (= 4 × 3 + 1 + 0,5).

Demgemäß kann bei Anwendung der vorliegenden Erfindung der Lichtverlust um 8 dB (13,5 - 5,5) oder 7,5 dB reduziert werden. Wenn man den Übertragungsverlust der Lichtleitfaser für eine Strecke zu 3 dB/km annimmt, kann die Wirkung der Lichtverlustreduzierung um 8 dB eine Reichweite erzeugen, die 1,3 km für die Hin- und die Rückstrecke beträgt. Demzufolge kann eine zu messende Entfernung 1,3 km länger sein, ohne die Meßgenauigkeit zu verändern. Somit führt die vorliegende Erfindung zu einer weiteren Verbesserung bezüglich der Entfernung.

Bislang ist eine prinzipielle Beschreibung des Aufbaus und der Merkmale der genannten Ausführungsform gemacht worden. Eine Ausführungsform, bei der Raman-gestreutes Licht effizient erfaßt wird, wird nachstehend genauer beschrieben.

Fig. 4 ist eine grafische Darstellung zur Beschreibung des Spektrums von Raman-gestreutem Licht, wobei Fig. 4(a) ein Diagramm ist, das den Aufbau des Lichts zeigt, und Fig. 4(b) ein Diagramm ist, das das tatsächlich durch die Lichtleitfaser gemessene Spektrum zeigt.

Die Wellenlänge (λr) von Rayleigh-gestreutem Licht ist die gleiche wie die Wellenlänge (λo). Die Wellenlänge (λs) von Stokes-Licht und die Wellenlänge (λa) von Anti-Stokes-Licht, die das Raman-gestreute Licht bilden, werden jedoch so erzeugt, daß sie nur um +Δλs bzw. -Δλa von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abweichen. Das Raman-gestreute Licht ist schwach gestreutes Licht, das um etwa eine Anzahl von 2-3 Figuren verglichen mit dem Rayleigh-gestreutem Licht reduziert ist, und die Abweichungen (Δλs und Δλa) der Wellenlängen sind klein (um 30 mm). Daher wird die folgende Einrichtung bzw. das folgende Gerät notwendig, um das Raman-gestreute Licht getrennt von dem Rayleigh-gestreuten Licht zu erfassen.

Zunächst zeigt Fig. 5 den Aufbau eines Bandes eines Bandpaßfilters. Die Wellenlängen λ₁ und λ₂ von diesem Band zeigen die Punkte, bei denen das übertragene Licht um 3 dB gegenüber einer mittleren Wellenlänge λfo reduziert ist.

Die Intensität Is von Stokes-Licht ist unter Verwendung eines solchen Bandpaßfilters untersucht worden.

Die Ausführungsform 1 zum tatsächlichen Messen dieser Intensität Is wird in Fig. 6 gezeigt.

Fig. 6(a) zeigt die Beziehung zwischen der Intensität Is von Stokes-Licht und der Intensität Ir von Rayleigh-gestreutem Licht, die erhalten wird in Abhängigkeit von Veränderungen in der Wellenlänge λ_s1 auf der Seite der Kurzwellen, wobei angenommen wird, daß die Wellenlänge λ_s2 auf der Seite der Langwellen außerhalb der Wellenlängen λ_s1-λ_s2 bei dem Bandpaß für Stokes-Licht konstant ist (λ_s2 = λs + Δλs). Somit wird aus der Zeichnung das folgende ersichtlich.

• (1) Das Rayleigh-gestreute Licht Ir wird bezüglich seiner Intensität in der Form einer Exponentialfunktion reduziert, wenn sich die Wellenlänge λ_s1 auf der Seite der Kurzwellen des Bandpasses für Stokes-Licht erhöht.
• (2) Die Intensität Is vom Stokes-Licht wird auch reduziert, wenn sich die Wellenlänge λ_s1 auf der Seite der Kurzwellen bei dem Bandpaß erhöht. Der Grad der Abnahme ist jedoch gering.
• (3) Der Bereich der Wellenlänge λ_s1 bei dem Punkt, wo die Intensität Is von Stokes-Licht hinreichend größer ist als die von Rayleigh-gestreutem Licht wird wie folgt bestimmt: g_s1 λ₀ + 0,5 Δλ_s = λ_s - 0,5 Δλ_s
• (4) Wenn λ_s1 λo + 1,2 Δλs = λs + 0,2 Δλs, dann wird die Intensität Is von Stokes-Licht reduziert.

Fig. 6(b) zeigt die Intensität Is von Stokes-Licht, die erhalten wird in Abhängigkeit von Veränderungen der Wellenlänge λ_s2 auf der Seite der Langwellen, und zwar unter der Annahme, daß die Wellenlänge λ_s1 auf der Seite der Kurzwellen, außerhalb der Wellenlängen λ_s1-λ_s2 von dem Bandpaß von Stokes-Licht, konstant ist (λ_s1=λs-0,5 Δλs).

Die Intensität Is von Stokes-Licht wird größer, wenn sich die Wellenlänge λ_s2 erhöht. Die Reduktionswirkung erscheint jedoch positiv, wenn der folgende Ausdruck angewandt wird:

λ_s2 λ_s + 0,2 λ_s.

Hiernach erhöht sich die Intensität Is von Stokes-Licht graduell.

Obwohl die Intensität von Rayleigh-gestreutem Licht in der vorliegenden Zeichnung nicht gezeigt ist, wird dessen Intensität in diesem Bereich vernachlässigbar klein.

Demzufolge wird das Durchgangsband (λ_s1, λ_s2: diese werden durch die Wellenlänge bei einem Punkt bestimmt, der um 3 dB gegenüber der mittleren Wellenlänge λs, d. h. einem Übertragungswert, reduziert ist) des Bandpaßfilters, welches für die Trennung von Stokes-Licht geeignet ist, durch die in Fig. 6 gezeigten Charakteristik wie folgt ausgedrückt:

λ_s1 = λ_s - k1 · Δλ_s,

λ_s2 = λ_s + k2 · Δλ_s,

k1 = -0,2 ∼ +0,5,

k2 0,2.

Somit ist das Stokes-Licht in der genannten Ausführungsform 1 beschrieben worden. Auf ähnliche Weise wurde über ein dem zuvorgenannten ähnliches Experiment herausgefunden, daß das Durchgangsband (λ_a1, λ_a2) des Bandpaßfilters, das durch die folgenden Ausdrücke wiedergegeben wird, geeignet ist als eine Einrichtung zur effektiven Trennung von Anti-Stokes-Licht.

λ_a1 = λ_a - k2 · Δλ_a,

λ_a2 = λ_a + k1 · Δλ_a,

k1 = -0,2 ∼ +0,5,

k2 0,2.

Im folgenden werden weitere Ausführungsformen 2 bis 8 der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Ausführungsform 2

In der vorbeschriebenen Ausführungsform ist der Verbindungsanschluß P3 mit dem Anti-Stokes-Licht-Meßsystem verbunden, wohingegen der Verbindungsanschluß P4 mit dem Stokes-Licht-Meßsystem verbunden ist. Wenn jedoch der Verbindungsanschluß P4 als eine Alternative für den Verbindungsanschluß P3 verwendet wird und mit dem Meßsystem für Anti-Stokes-Licht verbunden wird, und umgekehrt, verbleiben die Eigenschaften des ersten Filters F1 und des zweiten Filters F2 unverändert und die Eigenschaften des dritten Filters F3 und des vierten Filters F4 verändern sich zu den in Fig. 7 gezeigten, womit die gleichen gewünschten Effekte wie bei der vorangegangenen Ausführungsform vorweggenommen werden können.

Ausführungsform 3

Wie in Fig. 8 gezeigt, wenn ein fünftes Filter F5 mit der in Fig. 9 gezeigten Charakteristik zusätzlich zwischen dem vierten Filter F4 und dem Verbindungsanschluß P4 gemäß der Struktur der Fig. 1 als der ersten Ausführungsform vorgesehen ist, wird der Grad der Eliminierungskapazität für Licht mit der gegebenen Wellenlänge erhöht, das aus der Lichtquelle emittiert und in das Stokes-Licht-Meßsystem 30s eintritt, das mit dem Verbindungsschluß P4 verbunden ist, was es möglich macht, eine hervorragende Charakteristik des Temperaturverteilungssensors vom Lichtleitfasertyp zu erhalten.

Ausführungsform 4

Auf ähnliche Weise wie in der zuvor beschriebenen zweiten Ausführungsform, wenn ein optisches Filter mit der gleichen Funktion wie das in der Ausführungsform 3 verwendete zusätzlich in derselben Position wie das fünfte Filter F5 nach Fig. 8 vorgesehen ist, kann der Grad der Lösch- bzw. Dämpfungskapazität für Licht mit der gegebenen Wellenlänge erhöht werden, das aus der Lichtquelle emittiert und in das Anti-Stokes-Licht-Meßsystem 30a eintritt, das mit dem Verbindungsanschluß P4 verbunden ist.

Ausführungsformen 5-8

In den erläuterten Ausführungsformen 1 bis 4 unterscheiden sich die Charakteristiken der in einem einzelnen Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer verwendeten optischen Filter alle voneinander. Wenn jedoch optische Filter in Kombination verwendet werden, die die Charakteristiken gemäß "a" bis "e" haben, die in Fig. 10 gezeigt sind, können optische Filter mit den gleichen Charakteristiken in zwei oder mehr Positionen verwendet werden, was die Herstellungskosten verringert. Zwei oder drei Arten von Filtercharakteristiken können aus den in Fig. 10 gezeigten Filtercharakteristiken ausgesucht werden. Es ist jedoch wünschenswert, die optischen Filter zu verwenden, die in einer in Fig. 11 gezeigten Tabelle mit einem "*" markiert sind, um den Grad des Eintritts von Licht mit der gegebenen Wellenlänge bis zum Äußersten zu reduzieren, das von der Lichtquelle emittiert und in das Lichtmeßsystem eingeführt wird, und den Grad des Eintritts von Licht mit der gegebenen Wellenlänge bis zum Äußersten zu reduzieren, das sich von einer gewissen in dem Lichtmeßsystem zu messenden Wellenlänge unterscheidet.

Wenn - wie zuvor beschrieben - die Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 5, 7 (Fig. 45), die in einem Abschnitt zum Einführen von Licht, das von der Lichtquelle emittiert wird, in die optische Faser für den Sensor und in einem Abschnitt zum Einführen von Licht als ein Signal, das von der optischen Faser zurückkehrt, in ein optisches Meßsystem verwendet werden, durch den Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 15 (Fig. 2) aus optischen Filtern ersetzt werden, wird sowohl der Verlust des Lichts als das Signal und des von der Lichtquelle emittierten Lichts gering, so daß die Meßgenauigkeit des Temperaturverteilungssensors vom Lichtleitfasertyp im großem Maße verbessert wird.

Der in Fig. 2 gezeigte Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer hat jedoch den Nachteil, daß die Lichtweglänge von Stokes-Licht, das zu dem Verbindungsanschluß P4 des Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers 15 übertragen wird, länger ist als die von Anti-Stokes-Licht, das zu dem Verbindungsanschluß P3 übertragen wird, so daß der Raumübertragungsverlust zwischen den Verbindungsanschlüssen P2 und P4 größer ist als der zwischen den Verbindungsanschlüssen P2 und P3. Der Raumübertragungsverlust zwischen den Verbindungsanschlüssen P2 und P3 kann auf 2 dB gesetzt werden, wohingegen der Raumübertragungsverlust zwischen den Verbindungsanschlüssen P2 und P4 4 dB beträgt, was einen Überschußverlust von 2 dB ergibt verglichen mit dem Raumübertragungsverlust zwischen den Verbindungsanschlüssen P2 und P3.

Ausführungsform 9

Die in Fig. 12 gezeigte Ausführungsform 9 ist derart aufgebaut, daß der Raumübertragungsverlust von sowohl Anti-Stokes-Licht als auch Stokes-Licht, als die zwei Komponenten von Raman-gestreutem Licht, dessen Verlust innerhalb des Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers erzeugt wird, reduziert ist, so daß die verteilte Temperatur bzw. die Temperaturverteilung letztendlich mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.

Unter Bezugnahme auf Fig. 12 ist ein Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 15 aus Verbindungsanschlüssen P1 bis P4 und vier optischen Filtern F11, F12, F21 und F22 auf die gleiche Weise wie die in Fig. 2 gezeigten aufgebaut. Dieser Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 15 ist jedoch von dem in Fig. 2 gezeigten dahingehend unterschiedlich, daß die optischen Filter in zwei Gruppen unterteilt sind, d. h. ein Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer (F11, F12) wird für Stokes-Licht verwendet, und ein weiteres Verzweigungssystem (F21, F22) wird für Anti-Stokes-Licht verwendet, und für diese jeweiligen optischen Filter sind werden optische Filter mit den in Fig. 13 gezeigten Charakteristiken verwendet.

In Fig. 13 sind eine mittlere Längenwelle λo von Licht, welches von der Lichtquelle emittiert, eine Wellenlänge λa von Anti-Stokes-Licht und eine Wellenlänge λs von Stokes-Licht gezeigt. Ein erstes Filter F11 des Verzweigungssystems für Stokes-Licht läßt Licht mit der Wellenlänge λo durch und reflektiert nicht mit der Wellenlänge λs. Ein zweites Filter F21 des Verzweigungssystems für Anti-Stokes-Licht hat eine Charakteristik, die Licht mit der Wellenlänge λo, welches durch das erste Filter F11 gegangen ist, durchläßt und Licht mit der Wellenlänge λa reflektiert. Ein drittes Filter F12 des Verzweigungssystems für Stokes-Licht empfängt das von dem ersten Filter F11 reflektierte Licht und hat eine Charakteristik, so daß es Licht mit der Wellenlänge λa gedämpft durchläßt und Licht mit der Wellenlänge λo gedämpft durchläßt. Ein viertes Filter F22 des Verzweigungssystems für Anti-Stokes-Licht empfängt das von dem zweiten Filter F21 reflektierte Licht und hat eine Charakteristik, so daß dicht mit der Wellenlänge λa reflektiert und Licht mit der Wellenlänge λo durchläßt, wobei dieses gedämpft wird.

In dem obigen Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 15 ist sind die Lichtquelle 4 mit dem Verbindungsanschluß P1 verbunden, die Lichtleitfaser 6 für den Sensor ist mit dem Verbindungsanschluß P2 verbunden, das Meßsystem 30b für das Stokes-Licht ist mit dem Verbindungsanschluß P4 verbunden und das Meßsystem 30a für Anti-Stokes-Licht ist mit dem Verbindungsanschluß P3 verbunden. Demzufolge wird Licht mit der Wellenlänge λo, welches über den Verbindungsanschluß P1 von der Lichtquelle emittiert wird, in die Lichtleitfaser 6 des Verbindungsanschlusses P2 über das erste Filter F11 und das zweite Filter F21 eingeführt. Licht mit der Wellenlänge λa aus dem zurückgestreuten Licht, welches von der Lichtleitfaser 6 zurückkehrt, wird von dem zweiten Filter F21 auf das vierte Filter F22 reflektiert, gefolgt von einer weiteren Reflexion durch das vierte Filter F22, und in das Meßsystem 30a für Anti-Stokes-Licht über den Verbindungsanschluß P3 eingeführt. Licht mit der Wellenlänge λs aus diesem zurückgestreuten Licht läuft durch das optische Filter F21 und wird hiernach von dem ersten Filter F11 reflektiert, gefolgt von einer weiteren Reflexion durch das dritte Filter F12, und dann in das Meßsystem 30b für Stokes-Licht über den Verbindungsanschluß P4 eingeführt.

Wenn der Lichtwellenlängen-Aufteilungs/Demultiplexer 15 mit dem in Fig. 12 gezeigten Aufbau verwendet wird, wird der zwischen der pulsierenden Lichtquelle 4, der Lichtleitfaser 6 und den Lichtempfängern 9a oder 9b erzeugte Lichtverlust wie folgt bestimmt, wobei angenommen wird, daß der Lichtverlust, der erzeugt wird, wenn Licht in der Form von parallelen Strahlen zwischen zwei Verbindungsanschlüssen übertragen wird, 2 dB beträgt, der Lichtverlust, der erzeugt wird, wenn Licht durch die optischen Filter geht, 0,5 dB/Lage beträgt, und der Lichtverlust, der erzeugt wird, wenn Licht von den optischen Filtern reflektiert wird, 0,25 dB/Lage beträgt. Mit anderen Worten wird der zwischen der Lichtquelle 4 und der Lichtleitfaser 6 erzeugte Lichtverlust 3,0 dB (= 2 + 0,5 × 2), der zwischen der Lichtleitfaser 6 und dem Lichtempfänger 9a für Anti-Stokes-Licht erzeugte Lichtverlust wird 2,5 dB (= 2 + 0,25 × 2), und der zwischen der Lichtleitfaser 6 und dem Lichtempfänger 9b für Stokes-Licht erzeugte Lichtverlust wird 3,0 dB (= 2 + 0,5 + 0,25 × 2). Somit beträgt der Gesamtlichtverlust zwischen der Lichtquelle 4, der Lichtleitfaser 6 und dem Empfänger 9a bzw. 9b 5,5 dB für Anti-Stokes-Licht (λa), wohingegen er für Stokes-Licht (λs) 6,0 dB beträgt.

Andererseits, wo der Lichtwellenlängen-Aufteilungs/Demultiplexer, der in Fig. 2 gezeigt ist, verwendet wird auf eine ähnliche Weise wie zuvor beschrieben, ergibt sich der Lichtverlust, der auf der Basis eines derartigen Verfahrens - wie zuvor genannt - berechnet ist, wie folgt. Mit anderen Worten wird der Lichtverlust zwischen der Lichtquelle 4 und der Lichtleitfaser 6 zu 2,5 dB (= 2 + 0,5) und der Lichtverlust zwischen der Lichtleitfaser 6 und dem Empfänger 9a für Anti-Stokes-Licht wird 3,0 dB (= 2 + 0,5 + 0,25 × 2). Somit ergibt sich der Gesamtlichtverlust zwischen der Lichtquelle, der Lichtleitfaser und dem Empfänger zu 5,5 dB für Anti-Stokes-Licht (λa), wohingegen er sich für Stokes-Licht (λs) zu 6,0 dB ergibt. Bisher ist der Gesamtlichtverlust der gleiche wie der in Fig. 12.

Wie zuvor herausgestellt, ist das durch das tatsächliche Messen des Lichtverlusts in dem Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer nach Fig. 4 erhaltene Ergebnis derart, daß der Geamtlichtverlust für Stokes-Licht (λs) um 2 dB größer ist verglichen mit dem berechneten Wert, und somit ist der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer nach Fig. 12 dem nach Fig. 2 um einen solchen Grad, d. h. um 2 dB überlegen. Das durch die tatsächliche Messung erhaltene Ergebnis für den Gesamtlichtverlust bei dem Aufbau nach Fig. 12 ergibt sich so, daß der Lichtverlust für Anti-Stokes-Licht (λa) insgesamt 5,6 dB beträgt und für Stokes-Licht (λs) insgesamt 6,1 dB beträgt. Somit sind die tatsächlichen Werte wie berechnet und es ist bestätigt, daß der Aufbau nach Fig. 12 dem nach Fig. 2 überlegen ist.

Auf die oben beschriebene Art und Weise kann der Lichtverlust beträchtlich reduziert werden, indem man die optischen Filter, die als optische Kuppler für den Temperaturverteilungssensor vom Lichtleitfasertyp dienen, als einen Typ auslegt bei dem Licht mit der Wellenlänge λo, das von der Lichtquelle emittiert wird, nur zwischen der pulsierenden Lichtquelle 4 und der Lichtleitfaser 6, dem Verbindungsanschluß (P4), d. h. dem Lichtempfangsanschluß für das Stokes-Licht, und dem Verbindungsanschluß (P3), d. h. dem Lichtempfangsanschluß für das Anti-Stokes-Licht, übertragen wird, wobei nur das Licht mit seinen jeweiligen Wellenlängenbändern übertragen wird, und indem man den Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer mit dem Aufbau verwendet, bei dem der Lichtverlust für Stokes-Licht im wesentlichen ähnlich ist zu dem für Anti-Stokes-Licht.

Auf ähnliche Weise wird in der zuvor beschriebenen Ausführungsform 9 das Durchlaßband (λ_s1, λ_s2: Diese sind bestimmt durch die Wellenlänge bei dem Punkt, der um 3 dB gegenüber der mittleren Wellenlänge λs reduziert ist, d. h. dem Übertragungswert) des Bandpaßfilters, welches geeignet ist zur Trennung von Stokes-Licht, durch die in Fig. 6 gezeigte Charakteristik ausgedrückt:

λ_s1 = λ_s - k1 · Δλ_s,

λ_s2 = λ_s + k2 · Δλ_s,

k1 = -0,2 ∼ +0,5,

k2 0,2.

Zusätzlich sind die folgenden Ausdrücke geeignet als das Durchlaßband (λ_a1, λ_a2) des Bandpaßfilters zur effektiven Trennung für das Anti-Stokes-Licht.

λ_a1 = λ_a - k2 · Δλ_a,

λ_a2 = λ_a + k1 · Δλ_a,

k1 = -0,2 ∼ +0,5,

k2 0,2.

Im folgenden werden die Ausführungsformen 10 bis 16 der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Ausführungsform 10

In der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist der Verbindungsanschluß P3 mit dem Stokes-Licht-Meßsystem und der Verbindungsanschluß P4 mit dem Anti-Stokes-Licht-Meßsystem verbunden. Selbst wenn der Verbindungsanschluß P4 als eine Alternative für den Verbindungsanschluß P3 verwendet wird, der mit der Meßschaltung für das Stokes-Licht verbunden ist, und umgekehrt, und die Charakteristiken der zu verwendenden optischen Filter verändert werden zu denen, die in Fig. 14 gezeigt sind, können dennoch die gleichen gewünschten Effekte wie bei der zuvorstehenden Ausführungsform erhaltenen vorweggenommen werden.

Ausführungsform 11

Wie in Fig. 15 gezeigt, wenn ein fünftes Filter F13 mit der in Fig. 9 gezeigten Charakteristik zusätzlich zwischen dem vierten Filter F12 und dem Verbindungsanschluß P4 oder ein sechstes Filter F23 mit der in Fig. 16 gezeigten Charakteristik zusätzlich zwischen dem vierten Filter F22 und dem Verbindungsanschluß P3, oder gar sowohl das fünfte Filter F13 als auch das sechste Filter F23 in der Struktur nach Fig. 12 als der neunten Ausführungsform vorgesehen sind, erhöht sich der Grad der Auslöschkapazität für Licht mit der gegebenen Wellenlänge λo, welches von der Lichtquelle emittiert und in die Meßschaltung 30s für das Stokes-Licht eintritt, die mit dem Verbindungsanschluß P4 verbunden ist, oder der Grad der Auslöschkapazität für Licht mit der gegebenen Wellenlänge, das von der Lichtquelle emittiert wird und in die Meßschaltung 30a für das Anti-Stokes-Licht eintritt, die mit dem Verbindungsanschluß P3 verbunden ist, wird erhöht, wodurch es möglich wird, eine hervorragende Charakteristik des Temperaturverteilungssensors vom Lichtleitfasertyp zu erhalten.

Ausführungsform 12

Auf ähnliche Weise kann in der zuvor stehenden zehnten Ausführungsform, wenn optische Filter mit der gleichen Funktion wie die in der Ausführungsform 11 verwendeten zusätzlich in den gleichen Positionen als das fünfte Filter F13 und das sechste Filter F23 nach Fig. 15 vorgesehen sind, kann der Grad der Auslöschkapazität für Licht mit der gegebenen Wellenlänge erhöht werden, welches von der Lichtquelle emittiert und in die Meßschaltung 30a für Anti-Stokes-Licht und in die Meßschaltung 30s für das Stokes-Licht eintritt, die jeweils mit den Verbindungsanschlüssen P3, P4 verbunden sind.

Ausführungsformen 13-16

Zusätzlich zu der Kombination der verwendeten optischen Filter können die optischen Filter vom Typ "a" bis "e", die in Fig. 10 gezeigt sind, in Kombination verwendet werden, wie es in Fig. 17 erläutert ist. Zwei oder drei Arten von Filtercharakteristiken können aus den in Fig. 10 gezeigten Filtercharakteristiken ausgewählt werden. Es ist jedoch wünschenswert, die optischen Filter zu verwenden, die mit einem "*" in der Tabelle in Fig. 11 markiert sind, um den Grad des Eintritts von Licht mit der gegebenen Wellenlänge, welches von der Lichtquelle emittiert wird, in das Lichtmeßsystem und den Grad des Eintritts von Licht mit der gegebenen Wellenlänge, die anders ist als die gewisse, zu messende Wellenlänge, in das Lichtmeßsystem bis zum Äußersten zu reduzieren. Es gibt jedoch einen Fall, wo andere Filter als die zuvor in Verbindung mit der Herstellungstechnik der Filter genannten vorzuziehen sind.

(B) Einstellung des Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers

Fig. 18 zeigt eine Gesamtansicht eines Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers 50 mit einem Einstellungsmechanismus.

Der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 50 ist im wesentlichen derselbe wie der in Fig. 15 und enthält Verbindungsanschlüsse P1, P2, P3 und P4 und optische Filter F11, F12, F13, F21, F22 und F23. Die Charakteristiken der verwendeten optischen Filter entsprechen den in Fig. 20 gezeigten. Auch die Funktion der jeweiligen Verbindungsanschlüsse P1 bis P4 ist die gleiche wie in Fig. 1.

Bei der Lichtaufteilungseinheit 15 nach Fig. 1 ist es jedoch wichtig, die Filter und die Positionen und Winkel der Verbindungsanschlüsse derart einzustellen, daß jedes Filter seine beste Eigenschaft hat und daß die Verbindungsanschlüsse effektiv verbunden sind. Daher ist der Lichtverzweigungseinheit 50 nach Fig. 18 ein Winkeleinstellmechanismus und ein Abstandseinstellmechanismus beigeordnet.

Zunächst wird der Winkeleinstellmechanismus erläutert.

Die optischen Filter F13 und F23 sind - unabhängig von anderen Filtern - auf jeweiligen Einstellplatten 51a und 51b montiert, die an einer Basis des Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers 50 derart gelagert sind, daß die Einstellplatten rotierbar sind, was es möglich macht, die optischen Achsen der Filter nachzustellen.

Andererseits sind ein Paar von optischen Filtern F11 und F12 bzw. ein weiteres Paar von optischen Filtern F21 und F22 ebenfalls mit einem Winkeleinstellmechanismus versehen. In diesem Fall sind die folgenden Punkte zu berücksichtigen.

Die optischen Filter F11 und F12 und die optischen Filter F21 und F22 haben eine reflektierende Funktion. Daher ändern sich die Richtungen der optischen Achsen bei einer Drehung der optischen Filter. Demzufolge können die optischen Achsen hinsichtlich ihrer Positionen beträchtlich verändert werden, wenn sie sich weit entfernen, z. B. bei den Verbindungsanschlüssen P1 bis P4. Wenn man ein Paar von optischen Filtern F11 und F12 und ein weiteres Paar von optischen Filtern F21 und F22 annimmt, sind, wenn F11 und F12 getrennt gedreht werden, um den Winkel bezüglich der optischen Achse einzustellen, und um zur gleichen Zeit die Diskrepanz oder die Fehlanpassung der optischen Achsen des ankommenden und herausgehenden Lichts nachzustellen, das durch die optischen Filter läuft, eine Anzahl von Kombinationen von Drehbetrag und Drehrichtung möglich. Dies bedeutet in einem tatsächlichen Fall, daß es nahezu unmöglich ist, die beste Kombination durch einen "trial and error"-Ansatz herauszufinden.

Daher verändert der Winkeleinstellmechanismus die Achse bezüglich des optischen Weges, während er die Winkel zwischen zwei optischen Filtern jedes Paars nicht verändert. Insbesondere werden die optischen Filter F11 und F12 als ein Satz behandelt und die optischen Filter F21 und F22 als ein weiterer Satz. Die etwa gleichen Filter F11 und F12 sind parallel zueinander auf der Einstellplatte 53a montiert und die etwa gleichen Filter F21 und F22 sind parallel zueinander auf der weiteren Einstellplatte 53b auf ähnliche Weise montiert. Die Einstellplatte 53a und 53b sind um Kreise bzw. Achsen 52 als Rotationsmitten drehbar (Fig. 18). Die zwei Filter (F11 und F12 bzw. F21 und F22) werden gleichzeitig eingestellt.

Mit diesem Winkeleinstellmechanismus werden die Achse des ankommenden Lichts und die Achse des abgehenden Lichts, das durch diese zwei Filter läuft, nur hinsichtlich ihrer Position verändert, wobei die Richtungen unverändert bleiben, so daß die Einstellung einfacher wird.

Die Positionsfehlanpassung der Achsen des ankommenden und des abgehenden Lichts aufgrund der Rotation enthält jedoch die Reflexion zwischen zwei beabstandeten Filtern. Daher ist die Positionsfehlanpassung wesentlich größer als in dem Fall, wo nur ein dünnes Filter passiert wird. Demzufolge ist es erforderlich, die Positionen der Verbindungsanschlüsse P3 und P4 oder anderer Elemente einzustellen.

Hierzu wird ein einstellbarer Mechanismus am Aufnahmeabschnitt des Hauptkörpers der Lichtaufteilungseinrichtung als auch an den Verbindungsanschlüssen P1 bis P4 verwendet. Insbesondere wird zunächst der Verbindungsanschluß P1 festgelegt. Dann werden die Verbindungsanschlüsse P2 bis P4 vorgesehen und die Filter F13 und F23 als auch ein Paar von Filtern F11 und F12 und ein Paar von Filtern F21 und F22 werden temporär festgelegt. Dann werden die Winkel und Orte der Filter F11-F12, F21-F22 und von P2 derart eingestellt, daß das von dem Verbindungsanschluß P1 ankommende Licht λo am effizientesten von dem Verbindungsanschluß P2 emittiert wird wohingegen die Filter F11 und F12 derart eingestellt werden, daß die λo-Komponente nicht über die Verbindungsanschlüsse P3 und P4 herausgeht. Hiernach werden die Filter F11-F12, F21-F22, F13 und F23 derart eingestellt, daß das ankommende Licht λs von dem Verbindungsanschluß P2 am effizientesten in den Verbindungsanschluß P4 emittiert wird. Eine ähnliche Einstellung wird für das Licht λa durchgeführt, das von dem Verbindungsanschluß P2 kommt und in den Verbindungsanschluß P3 zu emittieren ist.

Während der aufeinanderfolgenden Einstellung verdirbt eine jeweils folgende Einstellung die vorangegangene Einstellung und der Einstellungsprozeß muß mehrfach wiederholt werden. Ein äußerst sorgfältiger Einstellungsprozeß unter Verwendung eines Prototyps ergab die folgenden Ergebnisse bezüglich einer Kopplungseffizienz: P1→P2, 55%; P2→P3, 45%; und P2→P4, 40%. Diese Werte sind jeweils um 10% niedriger als die Werte für einen Fall, bei dem die Einstellungen separat bei jedem Verbindungsanschluß ausgeführt werden.

Als nächstes wird eine Entfernungseinstellung erläutert.

Der Winkeleinstellmechanismus ist nicht ausreichend, da zu viele Faktoren einzustellen sind und eine Einstellung, die alle Anforderungen erfüllt, nahezu unmöglich ist. Wenn die Koppeleffizienz der Lichtwellen-Aufteilungseinrichtung, des Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers schlecht ist, werden die S/N-Verhältnisse von Anti-Stokes-Licht und von Stokes-Licht schlecht, obwohl sie ursprünglich klein sind. Demzufolge wird eine Verbesserung von S/N durch die Mittelungs-Schaltung schwierig, was die Genauigkeit der Temperaturverteilungserfassung verschlechtert.

Ein Grund, warum die Einstellung als Ganzes schwierig ist, liegt daran, daß, obwohl jedes Paar von zwei Filtern gemeinsam gedreht wird und keine Diskrepanz bezüglich der Richtungen der optischen Achsen besteht, die Diskrepanz der optischen Achsenposition groß ist und eine feinfühlige Einstellung der Position zum Absorbieren und Einstellen der großen Diskrepanz auf der Ebene, auf der die Verbindungsanschlüsse montiert werden, schwierig und kompliziert ist. Ein weiterer Grund liegt darin, daß sich der Einfallwinkel der optischen Achse bei der Ebene, auf der die Verbindungsanschlüsse montiert sind, leicht ändert und die Kopplung verschlechtert wird.

Deshalb wird der Abstandseinstellmechanismus 53 vorgesehen, der den Abstand zwischen zwei sich gegenüberliegenden optischen Filtern verändert, ohne den relativen Winkel zwischen diesen zu verändern. Im Detail sind daher - wie in Fig. 19 gezeigt - die Einstellplatten 53a und 53b, die jeweils diese zwei optischen Filter halten, aus zwei Elementen aufgebaut, d. h. einer Basis 54 und einem beweglichen Teil 55, der derart vorgesehen ist, daß der relativ zu der Basis 54 nur in der durch den Pfeil angegebenen Richtung verschiebbar ist.

Mit dem Abstandseinstellmechanismus ist die folgende Einstellung möglich: Die Einstellung der Einstellplatte 53b, die die optischen Filter F21 und F22 festlegt, stellt den Winkel der optischen Filter unter Verwendung des Dreheinstellmechanismus nach. Dann wird der Abstand zwischen dem Lichtweg (P2→F21), der an dem optischen Filter F21 ankommt, und dem Lichtweg (F22→F23), der aus dem optischen Filter F22 herausgeht, (diese Lichtwege haben einen Parallelversatz bzw. eine parallele Diskrepanz aufgrund dieser Rotationseinstellung) eingestellt durch Bewegen des beweglichen Abschnitts 55 in der durch den Pfeil angezeigten Richtung, um diesen an Ort und Stelle zu bringen. Dies gilt auch für die Einstellung der Einstellplatte 53a, die die optischen Filter F11 und F12 hält.

Es ist daher möglich, den Abstand zwischen den optischen Achsen des ankommenden/abgehenden Lichts zu/von den zwei optischen Filtern, die auf den Einstellplatten 53a bzw. 53b montiert sind, unabhängig von ihrer Dreheinstellung aufrechtzuerhalten.

Eine Koppeleinstellung wurde an der Lichtwellen-Aufteileinrichtung mit dem Winkeleinstellmechanismus und dem Abstandseinstellmechanismus ausgeführt und die folgenden Koppeleffizienzen wurden erhalten: 65% von dem Verbindungsanschluß P1 nach P2; 55% von P2 nach P3; und 50% von P2 nach P4. Diese Daten sind nahezu gleich den Koppeleffizienzen, die durch getrennte Einstellungen für jeden optischen Weg erhalten werden. Dies bedeutet, daß die Koppeleffizienz hinreichend gering ist.

In Fig. 19, um den beweglichen Abschnitt 55 festzulegen, nachdem er in der Richtung des Pfeils bewegt ist, kann ein Vorsprung an der unteren Fläche des beweglichen Abschnitts 55 vorgesehen sein und eine Ausnehmung, in die der Vorsprung eingreifen kann, kann auf der oberen Fläche der Basis 54 sein, oder Führungselemente können an dem beweglichen Abschnitt 55 und/oder der Basis 54 entlang deren Seiten derart vorgesehen sein, daß der bewegliche Abschnitt 55 gleitbar auf der Basis 54 geführt wird.

Weiterhin können auch Bolzen und Muttern als auch Bohrungen für die Bolzen vorgesehen und ausgebildet sein, um den beweglichen Abschnitt 55 festzulegen. 86301 00070 552 001000280000000200012000285918619000040 0002004019980 00004 86182

Da die Winkeleinstellung durch die gleichzeitige Drehung von 2 Filtern, die auf einer einzelnen Einstellplatte gegenüberliegend befestigt sind, möglich ist und die Abstandseinstellung (der Abstand zwischen den 2 Filtern auf der Gegenplatte) möglich ist, werden die Koppeleinstellungen zwischen den Verbindungsanschlüssen P1 und P2, P2 und P3, und P2 und P4 einfach und die Koppeleffizienz wird verbessert.

(C) Verbesserung der Entfernungs-Auflösungsleistung

Das von dem zuvor erwähnten Temperaturverteilungssensor (Fig. 1) erfaßte reflektierte Licht ist im allgemeinen das zurückgestreute Licht und kehrt an das Einfallende mit einer Zeitverzögerung in Längsrichtung der Lichtleitfaser zurück. Um die Auflösungsleistung in Längsrichtung bezüglich der Information zu erhöhen, erfährt das zurückgekehrte Rückstreulicht eine Abtastdatenverarbeitung mit kurzen Zeitintervallen nach einer Licht/Elektrizitätswandlung.

Wenn der Wellenlängenunterschied der zu erfassenden Wellenkomponenten klein genug ist, ist die Geschwindigkeit der Wellenlängen zueinander nahezu gleich. Wenn darüberhinaus die Länge der zu erfassenden optischen Faser kurz ist, kehrt das zurückgestreute Licht von einer bestimmten Stelle unabhängig von der Wellenlänge in nahezu der gleichen Zeit zurück, so daß bei der Messung kein Problem auftritt.

Wenn jedoch zwischen den zu erfassenden Wellenlängen ein großer Unterschied besteht, sind die Übertragungsraten oder -geschwindigkeiten voneinander unterschiedlich. Um daher die Temperaturinformation von einer bestimmten Stelle zu erhalten, ist es notwendig, die Abtastdatenverarbeitung mit Zeitintervallen auszuführen, die den Übertragungsraten der jeweiligen Wellenlängen entsprechen.

Wenn man z. B. annimmt, daß die Übertragungsrate von dem Einfallicht von der Lichtquelle Vo ist, ist die Übertragungsrate eine Komponente a des zurückgestreuten Lichts Va, die optische Signalintensität der gleichen Komponente a ist Ia, die Übertragungsrate einer anderen Komponente b des zurückgestreuten Lichts ist Vb, die optische Signalintensität dieser anderen Komponente b ist Ib, der Abstand zu dem zu messenden Punkt der Lichtleitfaser ist x und die Zeit, die verstreicht, nachdem das Impulslicht die Lichtleitfaser betritt, ist t, und die zwei Komponenten a und b des von dem Punkt x zurückgestreuten Lichts kehren zu dem Einfallende nach dem Ablauf Zeiten ta bzw. tb zurück. In diesem Fall sind die Zeiten ta und tb gegeben durch die folgenden Ausdrücke:

ta = x/Vo + x/Va = x (1/Vo + 1/Va),

tb = x/Vo + x/Vb = x (1/Vo + 1/Vb).

Nimmt man an, daß die Welle a mit der Zeit ta abgetastet wird, ist die optische Signalintensität der Welle gegeben durch Ia(ta) und dies ist die Abtastinformation für die Entfernung x, wobei der Wert Ib(ta), der mit der gleichen Zeit abgetastet wird, als die Abtastinformation nicht in der Entfernung x sondern in der Entfernung x (1/Vo+1/Va)/(1/Vo+1/Vb) gemäß der genannten Beziehung angenommen wird.

Um daher eine genaue Abtastinformation über die optische Signalintensität Ib der Welle b in der Entfernung x zu erhalten, ist es notwendig, nicht nur mit ta sondern auch mit tb′ abzutasten, was wie folgt gegeben ist:

tb′ = ta (1/Vo + 1/Vb)/(1/Vo + 1/Va).

Wenn eine ideale Abtastverarbeitung möglich ist, wird die Welle a mit Zeitintervallen Δta abgetastet und die Welle b wird mit Zeitintervallen Δtb abgetastet. Dies macht es möglich, die Informationen für die Entfernung x für beide Wellen unter Verwendung von ta und tb′ zu erhalten.

Bei einem realen Erfassungssystem besteht jedoch ein Problem.

Zum Beispiel wird ein Fall angenommen, wo Vo = 200 m/µs, Va = 201 m/µs, Vb = 198 m/µs und das Abtastintervall = 20 ns ist. In diesem Fall werden die Abtastinformationen von jedem 2,004987---m-Intervall entsprechen der Abtastordnung 1,2,3,---,i,---,N erhalten. Wenn die Welle b mit dem gleichen Abtastintervall verarbeitet wird, werden Abtastinformationen von jedem 1,989949---m-Intervall erhalten. Dies ist ein Unterschied von nahezu 2 Metern. Daher, wenn eine gewisse physikalische Werteinformation F berechnet wird unter Verwendung der Daten Ia und Ib erscheint es, daß die Werteinformation F die Information innerhalb der erlaubten 2 Meter Intervalle ist.

Wenn die 50. Abtastinformation der Wellen a und b verwendet wird, ist das für die Welle a erhaltene Datum ein Datum in der Entfernung 100,24935 Metern, wohingegen das erhaltene Datum für die Welle b ein Datum in der Entfernung 99,49745 Meter ist. In einem bestimmten Fall besteht kein Problem, den physikalischen Informationswert F unter Verwendung dieser Daten zu berechnen.

Die Entfernung für die Welle a ist jedoch 1002,49 m ≒ 1002 m und die Entfernung für die Welle b ist 994,97 m ≒ 995 m, wenn die 500. Abtastinformation verwendet wird. Die physikalischen Informationsdaten, die unter Verwendung dieser zwei Entfernungen erhalten werden, die sich voneinander um etwa 7 Meter unterscheiden, sind nutzlose Daten. Idealerweise ist Δtb gegeben durch den folgenden Ausdruck:

Δtb = Δta (200 + 201)/(200 + 198) = (20,15075 ---).

Wenn eine derartige Zeitsteuerung von einer Digitalschaltung ausgeführt wird, muß ein Impulssignal von 0,00001 ns gezählt werden und die Wellen a und b werden dann bei den jeweiligen Zählständen von 2 000 000 und 2 015 114 abgetastet. Um dies zu tun, ist es jedoch notwendig, eine Hochfrequenzschaltung vorzusehen, die 0,00001 ns steuern kann. Dies ist praktisch nicht möglich. Zusätzlich muß die Lichtleitfaser eine Länge von etwa 17,7 Kilometern haben, um mit dem Impuls von 0,01 ns zu zählen und den Unterschied zwischen den Wellen a und b innerhalb 1 m aufrechtzuerhalten oder zu unterdrücken.

Zusammenfassend, um die physikalische Information zu erfassen unter Verwendung einer Vielzahl von Wellenlängen, wobei die Genauigkeit der Erfassungsposition und die Information adäquat aufrechterhalten werden, ist eine hochgenaue und strenge Steuerung für die Abtastzeitgabe notwendig. Die Übertragungsraten der jeweiligen Wellenlängen müssen in einem solchen Fall allein in Betracht gezogen werden. Diese Steuerung ist nahezu unmöglich hinsichtlich der Kosten und der Technik.

Weiterhin, selbst wenn eine gewisse Steuerung für das System ausgeführt wird, tritt ein Entfernungsfehler auf, wenn die Lichtleitfaser sich über eine bestimmte Länge erstreckt, so daß es unmöglich ist, die gesamte Lichtleitfaser abzudecken.

Darüberhinaus wird ein noch ernsteres Problem angenommen aufgrund von Fehlern in der Abtast-Zeitsteuerung und anderen negativen Faktoren wie die Wellenveränderung der OTDR-Lichtquelle aufgrund von Umgebungsbedingungen, z. B. aufgrund einer Temperaturveränderung der Umgebung.

Die folgenden Passagen handeln von einer Temperaturverteilungs-Sensoranordnung, die eine Vielzahl von Wellen unter Verwendung der Entfernung mit einem Fehler innerhalb eines erlaubten Bereiches durch eine tatsächlich mögliche Art und Weise erfaßt.

Fig. 21 zeigt einen Fall, bei dem eine Vielzahl von Wellen (zwei Wellen) empfangen werden und die Zeitveränderung in eine Positionsveränderung konvertiert wird.

Beide Wellen werden mit den gleichen Zeitpunkten abgetastet, für die Welle a werden jedoch Daten eines längeren Intervalls erhalten, da die Übertragungsrate der Welle a schneller ist als die der Welle b.

Üblicherweise werden das i-te Datum der Welle a und das i-te Datum der Welle b aufgenommen, um Ia(i) und Ib(i) zu berechnen und dann S(i) zu erhalten.

Wenn jedoch - wie auf der rechten Seite der Fig. 21 gezeigt - die Daten vom Punkt k, der weit vom Punkt i entfernt ist, verwendet werden, um Ia(k) und Ib(k) zu berechnen, ist das erhaltene S(k) ein Datum, das die Daten von einem Punkt k-1 und nicht k bezüglich der Welle a verwendet, was von Daten des Punktes k durch das Abtastzeitintervall für die Welle a unterschiedlich ist, d. h. ΔLa. Theoretisch muß S(k-1) erhalten werden unter Verwendung von Ia(k-1) und Ib(k).

Um dies zu realisieren, ist es notwendig, zwei Fälle zu erläutern: Einen Fall, bei dem die Übertragungsraten Va und Vb den Wellen a und b jeweils bereits bekannt sind, und den anderen Fall, bei dem diese Raten bzw. Geschwindigkeiten nicht bekannt sind.

(1) Va und Vb sind bekannt

Wenn die Übertragungsraten Va und Vb unterschiedlich sind, jedoch konstante Werte haben, sind die folgenden zwei Ansätze (i) und (ii) verfügbar.

(i) Um abgetastete Signale auf der Basis der Größe von s auszuwählen:
Im Detail werden - wie in Fig. 22 gezeigt - bis der Abstandsunterschied Δx(j) zwischen Ia(j) (Ia bei der j-ten Position) und Ib(j) (Ib bei der j-ten Position) die Gleichung

Δx(j) < ΔLa/2

erfüllt, Ia(j) und Ib(j) verwendet, wonach, d. h. wenn

Δx(j+1) ΔLa/2,

Ia(j) und Ib(j+1) verwendet werden.

In diesen zwei Fällen werden zwei S(j) für die gleiche Entfernung j erhalten. Einer von diesen wird ausgewählt oder der Mittelwert der zwei S(j) wird verwendet in Übereinstimmung mit zusätzlichen Faktoren bzw. Randbedingungen.

Hiernach wird eine Kombination von Ia(j+1) und Ib(j+2) wiederholt verwendet, um S(j+1) zu erhalten. Wenn Δx dieser Kombination erneut größer oder gleich ΔLa/2 wird, werden die verwendeten Daten um eins verschoben.

Im allgemeinen wird der zuvor erwähnte Prozeß für jede Entfernung von etwa 2jΔLa/2 wiederholt, so daß der Entfernungsunterschied zwischen Ia und Ib, der verwendet wird, um S zu erhalten, nicht durch die Länge der Lichtleitfaser beeinflußt wird und der Unterschied innerhalb ±ΔLa/2 bleibt.

Bei der obigen Erläuterung wird die Entfernungsdifferenz ΔLa/2 mit der Welle a als Referenz angenommen. Die Entfernungsdifferenz ΔLb/2 kann jedoch mit der Welle b als Referenz in Betracht gezogen werden. In diesem Fall werden Ib(j+1) und Ia(j) verwendet, wenn die Situation Δx(j+1) ΔLa/b erreicht, so daß S erhalten werden kann mit der Entfernungsdifferenz von etwa ± ΔLb/2 für jedes ΔLb.

In dem Fall, wo die Entfernungsdifferenz entsprechend einem Abtasten dabei in der optischen Faser aufgrund der Geschwindigkeitsdifferenz erzeugt wird, d. h. wenn die Lichtleitfaser zu lang ist, wird beim Erhalten von Signalen aus der Vielzahl von - wie oben beschrieben empfangenen - Wellen, wenn die Entfernungsdifferenz größer oder gleich der halben Entfernung entsprechend einem Abtastintervall für die Referenzwelle wird, eine gewünschte Erfassung, die keine große Entfernungsdifferenz zwischen den Signalpositionen zweier Wellen hat, realisiert durch zweifaches Verwenden der Daten der schnelleren Welle. Die mit Δx zu vergleichende Entfernung wird gewählt in Abhängigkeit von dem Gegenstand der Erfassung aus einem Wert innerhalb ΔLa oder ΔLb.

(ii) Um Signale der Welle b zu wandeln, die mit Entfernungsintervallen unterschiedlich von der Welle a abgetastet sind, und zwar in Signale des gleichen Entfernungsintervalls, wobei das Abtasten der Welle a hauptsächlich ist:
Insbesondere wird eine ganzzahlige Zahl j′, die (j · ΔLa)/Lb überschreitet, erhalten und der folgende Ausdruck wird berechnet.

Ib(j′) + {Ib(j′+1) - Ib(j′)} (j · ΔLa-j′ · ΔLb)/Lb.

Diese Berechnung bedeutet, daß Ib entsprechend einer Position von j · ΔLa erhalten wird durch Interpolation unter Verwendung von Ib(j′+1) und Ib(j′), welches das Datum ist, das der Position von Ib(j) am nächsten ist.

Die gleiche Technik kann für den Fall angewendet werden, wo das Signal der Welle b als Hauptsignal betrachtet wird.

(2) Va und Vb sind unbekannt oder nicht konstant

Wenn die Übertragungsraten Va und Vb nicht klar erfaßt werden können oder sich die Wellenlängen λa und λb während des Betriebs verändern, was wiederum die Übertragungsraten verändert, sind Δx, ΔLa/2 und die Abtastnummer j, deren Größe sich verändert, unbekannt. Daher ist eine besondere Behandlung notwendig.

In den zuvor genannten Fällen werden die folgenden Maßnahmen getroffen.

Wenn das entfernte Ende (freie Ende) der Lichtleitfaser offen ist, wird das gestreute Licht von einer Stelle, die noch hinter dem entfernten Ende liegt, nicht länger zurückübertragen. Daher fallen die Signale des zurückgestreuten Lichts mit den Wellenlängen λa und λb, als ein Beispiel, das in Fig. 23(a) gezeigt wird, dramatisch hinter der Position des entfernten Endes. Demgemäß ist es leicht möglich, die entfernte Endposition herauszufinden durch Erfassen des Umkehrpunktes der Abtastdaten 17 (schwarze Punkte in der Darstellung).

Das entfernte Ende wird z. B. auf die folgende Art und Weise erlangt.

(i) Hauptabtastpunkte p1, p2, p3, die als die Signale Bedeutung haben, und Abtastpunkte q₁, q₂, q₃, die sich dramatisch in Richtung auf die Meßgrenze absenken, werden durch die linearen Linien 12 und 13 jeweils approximiert und der Schnittpunkt R_a1 der Linien 12 und 13 wird als das entfernte Ende Ra angenommen.

(ii) Die Meßgrenze wird durch eine Linie 14 approximiert und der Mittelpunkt zwischen dem Schnittpunkt R_a2 der Linien 14 und 13 und dem Punkt R_a1 wird als das entfernte Ende Ra angenommen.

(iii) Wie in Fig. 23(b) erläutert, wird der Mittelpunkt der Linie, die den Punkt P₁, der der Endpunkt ist, der als Signal Bedeutung hat, mit dem Startpunkt r₁ der Meßgrenze als das entfernte Ende Ra angenommen.

Das entfernte Ende Ra der Welle a wird erhalten durch die zuvor beschriebenen mathematischen Approximationstechniken und die Zeit entsprechend dem entfernten Ende Ra wird als ta(Ra) angenommen. Die zuvor erwähnten Approximationen werden wahlweise in Übereinstimmung mit dem Signalverlauf des eintreffenden Impulslichtes, dem Abtastzeitintervall, dem zulässigen Bereich und anderen Faktoren verwendet. Weiterhin wird die Zeit tb(Rb) entsprechend dem entfernten Endpunkt für die Welle b auf ähnliche Weise erhalten.

Wenn die Welle a schneller ist als die Welle b, kehrt das Signal der Welle a früher zurück als das Signal der Welle b, und zwar selbst von dem selben entfernten Endpunkt, was zu ta(Ra)<tb(Rb) führt. Auch wenn das Abtasten mit dem Zeitintervall τ ausgeführt wird, ist bei der Welle a die Anzahl der Abtastungen zwischen dem Eingang und dem entfernten Ende kleiner als die der Welle b.

Wenn ta(Ra) und tb(Rb) gleich sind oder wenn die gerade hierfür abgetastete Anzahl Na und Nb ist, gilt

ta(Ra) = Na · τ + Δta,

tb(Rb) = Nb · τ + Δtb.

(a) Der Abstand L der Lichtleitfaser ist bekannt

Approximierte Werte für die Übertragungsraten Va und Vb werden erhalten aus

2L/ta (Ra) und

2L/tb (Rb).

Nachdem die Übertragungsraten Va und Vb erhalten sind, wird die Technik (i) verwendet.

Für einen besonderen Erfassungsgegenstand werden Δta und Δtb vernachlässigt und die Übertragungsraten Va und Vb werden aus einem Verhältnis von Na und Nb erhalten.

(b) Die genaue Entfernung L der Lichtleitfaser ist unbekannt

Wenn die genaue Entfernung L der Lichtleitfaser unbe­ kannt ist, wird ein approximierter Wert abgeschätzt, um relative Übertragungsraten zu erhalten. Hierzu können die zuvor beschriebenen Techniken angewendet werden.

In jedem Fall wird eine gewisse Information S aus den Signalen beider Wellenlängen von denselben Punkten er­ halten. Dies stimmt mit der Aufgabe der vorliegenden Erfindung überein.

Die Genauigkeit der Signalpositionen hat jedoch einen Fehler entsprechend dem Verhältnis der genauen Entfer­ nung der Lichtleitfaser und der geschätzten Entfernung der Lichtleitfaser. Dieses Problem wird eliminiert durch zuvoriges Messen der Entfernung der Lichtleitfa­ ser oder indem bekannte Information an die Lichtleitfa­ ser in einer bekannten Entfernung von dem Einfallende gegeben wird und dann von dem Temperaturverteilungssen­ sor erfaßte Daten erhalten werden, um die Entfernung zu kompensieren.

(c) Ein Teil des reflektierten Fresnel- Lichts wird als zurückgestreutes Licht empfangen

Die oben beschriebenen Fälle sind Fälle, bei denen das entfernte Ende oder ein Abschnitt entsprechend dem ent­ fernten Ende aus dem zurückgestreuten Licht jeweiliger Wellenlängen erhalten wird. In diesen Fällen wird je­ doch ein Teil von reflektiertem Fresnel-Licht, das am entfernt abgeschnittenen Teil erzeugt wird, als das zu­ rückgestreute Licht empfangen, nachdem das Licht einge­ geben wird, da (1) die Wellenlängenkomponenten diversi­ fizieren, (2) die Entfernung zwischen der Eingabe von Licht und dem zurückgestreuten Licht unzureichend ist und (3) die Charakteristik des Lichtaufteilers (des Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers) zum Tren­ nen des empfangenen zurückgestreuten Lichts nicht pas­ send ist.

In diesem Fall, von dem ein Beispiel in Fig. 24 ge­ zeigt ist, werden Ra und Rb erhalten aus dem scharf nach oben gebogenen Abschnitt R1 aufgrund des reflek­ tierten Fresnel-Lichts 18 (Fig. 24(a)), dem Ankunft­ punkt R1′ des reflektierten Fresnel-Lichts 18 und dem scharf abfallenden Abschnitt R2 gerade vor dem Ankunftpunkt R1′ (Fig. 24(b)), oder dem zweiten scharf ansteigenden Abschnitt R3 des gering gestreuten Lichts, welches nach dem reflektierten Fresnel-Licht 18 an­ kommt, oder dem scharf abfallenden Abschnitt R4 (Fig. 24(c)).

(d) Das reflektierte Fresnel-Licht überlappt

Wenn das Stokes-Licht und das Anti-Stokes-Licht des Eingangslichtes als das zurückgestreute Licht von vie­ len Wellenlängen verwendet wird, werden das zurückge­ streute Rayleigh-Licht mit der Zwischenwellenlänge und das reflektierte Fresnel-Licht 18 des Eingangslichts bei der gleichen Wellenlänge überlappt empfangen. Das Stokes-Licht ist jedoch länger und schneller als das Rayleigh-Streulicht bezüglich der Wellenlänge bzw. der Übertragungsrate. Es ist daher möglich, das entfernte Ende unter Verwendung dieser Tatsache zu erhalten. Zum Beispiel wird die folgende Verarbeitung ausgeführt:
Unter Bezugnahme auf Fig. 24(b) wird der Unterschied zwischen dem plötzlich fallenden Abschnitt R2 und dem plötzlich steigenden Abschnitt R1′ aufgrund des reflek­ tierten Fresnel-Licht 18, welches hiernach ankommt, erhalten und dann wird der Unterschied zwischen dem Anti-Stokes-Licht und dem Stokes-Licht als das zweifa­ che des zuvor erwähnten Unterschieds behandelt. Auf diese Weise wird zuerst das entfernte Ende für einen Teil der vielen Wellen erhalten und dann die entfernten Enden für die Lichtstrahlen mit anderen Wellenlängen erhalten aus der relativen Beziehung zwischen den Über­ tragungsraten und den bereits bekannten Wellenlängen.

Bei der obigen Erläuterung wurde aus Verständnisgründen alles unter Verwendung der Entfernung oder der Position erläutert. Durch Verwendung der Beziehung zwischen der Übertragungsrate von Licht, dem Abtastzeitpunkt und den Abtastanzahlen, kann der obige Prozeß jedoch ausgeführt werden unter Verwendung der Zeit oder von Abtastanzah­ len, um die genaue - und zwar einschließlich einer Ge­ nauigkeit der Entfernung und der Position - Verteilung von Daten zu erhalten.

(D) Temperaturmessung am Ende (1) der optischen Faser

Bei der Lichtfaser-Temperaturverteilungssensor- Anordnung nach Fig. 1, wenn die Wellenfront des opti­ schen Impulses, der von der Lichtquelle 4 in die opti­ sche Faser kommt, relativ lang ist, da die Wellenfront 20 des übertragenen Lichtimpulses 29 das entfernte Ende der Lichtleitfaser zuerst erreicht, wie in Fig. 25 ge­ zeigt, wird eine reflektierte Komponente 22, sie sehr viel größer ist als die zurückgestreute Lichtimpulskom­ ponente 21, und zwar bezüglich der optischen Leistung der Wellenfront 20, erzeugt, bevor die Spitze (peak) das entfernte Ende erreicht, und diese wird der zurück­ gestreuten Lichtkomponente vor der Rückkehr zu dem Ein­ fallende überlagert.

Daher erhält die zurückgestreute Lichtverteilung, die durch das Abtasten erhalten wird, eine Wellenform, die durch ein Bezugszeichen 23 gezeigt ist. Aufgrund der unstabilen reflektierten Komponente am entfernten Ende wird die Temperaturverteilung 24, die aus dieser Ver­ teilung 23 erhalten wird, kürzer als die Länge der Lichtleitfaser und die Temperatur in der Nähe des ent­ fernten Endes kann sehr häufig nicht erlangt werden.

Um dieses Problem zu eliminieren, muß der Lichtimpuls mit einer kurzen Wellenfront eingeführt werden. Es ist jedoch eine sehr schwierige Technik, dies unter Verwen­ dung eines hohen Ausgangsimpulses zu realisieren, der notwendig ist zum Erfassen des gestreuten Lichtes mit einem guten S/N. Somit wird die Temperaturverteilung in der Nähe des entfernten Endes nicht generell als der gemessene Wert verwendet.

Wenn jedoch eine Temperatur an einer anderen Stelle in einem Rohr oder eine lichte Weite zwischen kompliziert geformten Gebäuden zu messen ist, wird die Lichtleitfaser gewöhnlich in eine solche Stelle eingeführt. In den meisten Fällen, bei dieser Situation, wird das freie Ende (entfernte Ende) der Lichtleitfaser an den Punkt gebracht, der dem zu messenden Objekt am nächsten ist. Wie zuvor erwähnt, da die Daten der Temperaturvertei­ lung in der Nähe des freien Endes der Lichtleitfaser nicht verläßlich sind, verliert der Temperaturvertei­ lungssensor jedoch seinen Nutzen.

Die folgenden Passagen handeln von einer Lichtfaser- Temperaturverteilungssensor-Anordnung, die die Tempera­ turverteilung selbst in der Nähe des freien Endes der Lichtleitfaser (Sensor) messen kann.

Unter Bezugnahme auf Fig. 26 wird eine optische Sensor­ faser 6 abgedichtet in eine Schutzröhre 25 eingeführt, die in ein Objekt einzuführen ist. Die Schutzröhre 25 kann eine metallische oder eine Kunststoffröhre sein. Das freie Ende 27 der Lichtleitfaser 6 ist einer Anti­ reflexionsbehandlung ausgesetzt worden. In dieser Aus­ führungsform ist das freie Ende 27 sphärisch als Ergeb­ nis der antireflektierenden Behandlung ausgebildet.

Unter Bezugnahme auf Fig. 27 pflanzt sich der Lichtim­ puls, der von der Lichtquelle (Fig. 1) in die optische Faser 6 kommt, durch die optische Faser 6 fort, während er zurückgestreutes Raman-Licht erzeugt. Der übertragene Lichtimpuls 19 breitet sich zum freien Ende 27 der Lichtleitfaser aus. Da das freie Ende 27 sphärisch und nicht reflektierend ist, läuft die Wellenfront 20a des übertragenen Lichtimpulses hierdurch nach außen und an diesem Punkt enthält der zurückgestreute Lichtimpuls 28, der zu dem Einfallende zurückkehrt, keine Reflexi­ onskomponente am freien Ende (Fig. 27). Bezüglich des übertragenen Lichtimpulses 19 kehrt daher die von dem Abschnitt erzeugte zurückgestreute Lichtkomponente mit Ausnahme der Wellenfront 20a zu dem Meßsystem zurück.

Somit hat die Verteilung 31 des zurückgestreuten Lich­ tes, die durch die OTDR-Technik am Einfallende der Lichtleitfaser 6 erhalten wird, eine in Fig. 27 gezeig­ te Konfiguration. Im Detail ist das gesamte übertragene Licht 19 in der Lichtleitfaser und während des Übertra­ gungsbereiches wird es angezeigt durch eine Linie 31a mit einer Neigung von logarithmischer Skala auf der Basis des Lichtleitfaserverlusts, wohingegen während eines Bereiches 29 (Lichtleitfaser-Endbereich) es, nachdem die Wellenfront 20a nach außen übertragen ist, durch eine Kurve 31b angezeigt wird, deren Neigung gra­ duell fällt oder deren Pegel absinkt.

Die Verteilung 31a des zurückgestreuten Lichts am freien Endbereich 29 der Lichtleitfaser hat - wie oben be­ schrieben - eine Verteilung, deren Neigung sich langsam und nach unten verändert. Diese Verteilung enthält keine unstabilen Faktoren, die sich mit der Lage der Reflexionsfläche gleich der reflektierten Lichtkompo­ nente ändern können, und dies wird bestimmt durch das gestreute Licht, welches erzeugt wird durch den über­ tragenen Lichtimpuls 19 auf der Basis, daß keine Energiekomponente in der Lichtleitfaser 6 existiert.

Wenn demgemäß der Temperaturverteilungssensor, der die Temperatur aus den Verteilungen der zwei Komponenten von zurückgestreutem Raman-Licht, nämlich dem Anti- Stokes-Licht und dem Stokes-Licht, erhält, haben die zwei gestreuten Lichtarten am freien Endbereich 29 die gleiche Verteilung, wie es durch Bezugszeichen 31b in Fig. 27 angezeigt ist. Die durch Berechnung dieser Kom­ ponenten erhaltene Temperaturverteilung hat eine hohe Genauigkeit entlang der gesamten Lichtleitfaser selbst am freien Ende derselben, wie es durch die Linie 32 in Fig. 27 angezeigt ist.

In der vorangegangenen Beschreibung wird das freie Ende 15 der Lichtleitfaser 6 sphärisch gemacht. Das freie Ende 15 kann jedoch mit einem Material abdichtend be­ deckt sein, welches einen hohen Lichtbrechungsindex hat, um einen nicht reflektierenden Abschnitt zu schaf­ fen.

Diese Temperaturverteilungssensor-Anordnung ist vor­ teilhaft hinsichtlich der Kosten, da die Antireflexions­ behandlung sehr einfach ist.

(D) Temperaturmessung am Lichtleitfaserende (2)

Wie zuvor erwähnt, kann die Lichtfaser- Temperaturverteilungssensor-Anordnung mit dem Tempera­ turverteilungsmessen in Längsrichtung der optischen Sensorfaser klarkommen, hat jedoch eine Schwierigkeit beim Messen der Temperatur in der Nähe des freien Endes (Spitze oder entferntes Ende) der optischen Sensorfa­ ser.

Z. B., wie in Fig. 28 gezeigt, wenn die optische Faser 6 in einer Führungsröhre 34 des Gegenstandes 33 angeordnet ist, und die Temperatur am freien Ende der Lichtleitfaser 6 die Temperaturverteilung im Zwischenbereich der­ selben zur gleichen Zeit zu messen ist, kann die letz­ tere (Temperaturverteilung) gemessen werden, die erstere (Temperatur am freien Ende) kann jedoch aufgrund eines Einflusses von Fresnel-Reflexionen nicht erfaßt werden.

Die folgenden Passagen handeln auch von einem Tempera­ turverteilungssensor vom Lichtleitfasertyp, der die Temperatur am freien Ende der optischen Faser erfassen kann.

Ein Temperaturverteilungssensor vom Lichtfasertyp nach Fig. 29 ist im wesentlichen der gleiche wie der nach Fig. 1. Ein Konstruktionsdiagramm des Lichtwellenlän­ gen-Aufteilers/Demultiplexers ist in Fig. 29(B) ge­ zeigt. Die Eigenschaften der in dem Lichtwellenlängen- Aufteiler/Demultiplexer verwendeten optischen Filter sind in Fig. 29(C) gezeigt. Die Eigenschaft der Halb­ übertragung ist derart, daß z. B. die Transparenz 50% und das Reflexionsvermögen ebenfalls 50% beträgt. Es kann auch ein anderes Verhältnis von Transparenz und Reflexionsvermögen gemäß der Verwendung vorgesehen sein.

In Fig. 29(A) und 30 ist ein GaAs-Sensor 35 am freien Ende der Lichtleitfaser 6 vorgesehen. GaAs hat einen scharfen optischen Absorptionsbereich und läßt Licht mit einer Wellenlänge, die größer ist als die Wellen­ länge am Ende des Absorptionsbereiches, durch, während es Licht mit einer kürzeren Wellenlänge absorbiert. Am Ende des Absorptionsbereiches verändert sich die Wel­ lenlänge durch eine Veränderung der Temperatur des GaAs (er bewegt sich nach vorne in Richtung längerer Wellen­ längen, wenn die Temperatur steigt). Daher kann die Temperatur gemessen werden, indem ein Verhältnis von Licht mit einer kurzen Welle in der Nähe der Wellenlän­ ge am Ende des Absorptionsbereichs von GaAs und dem Licht mit einer langen Wellenlänge entfernt von der Wellenlänge am Ende des Absorptionsbereichs genommen wird.

Im Detail, wie in Fig. 30 gezeigt, ist der GaAs-Sensor 35 aufgebaut durch Anbringen von GaAs 36 am freien Ende der Lichtleitfaser 6, Anbringen eines Reflexionsfilms 37 auf dem GaAs 36, Unterbringen derselben in einem Halter 38 und Fixieren mit einem Abstandshalter 39. Das Licht mit Wellenlängen, das durch das GaAs 36 passiert, wird von dem Reflexionsfilm 37 reflektiert und in die Lichtleitfaser 6 als Referenzlicht eingeführt.

Als Impulslichtquelle 4 sind zwei Laserstrahlquellen 40, 41 vorgesehen, die von Impuls-Ansteuerschaltungen 42 bzw. 43 angesteuert werden. Die Laserstrahlquelle 40 enthält eine Laserdiode LD, die einen Laserstrahl kur­ zer Wellenlänge, d. h. einen Laserstrahl mit einer Wel­ lenlänge in der Nähe der Endwellenlänge des Absorptionsbereichs von GaAs hat und wird verwendet beim Messen der Temperaturverteilung. Die Laserstrahlquelle 41 ent­ hält eine Laserdiode LD, die einen Laserstrahl längerer Wellenlänge, d. h. einen Laserstrahl mit einer Wellen­ länge entfernt von der Endwellenlänge des Absorptions­ bereiches von GaAs hat und verwendet wird als Referenz­ licht beim Messen der Temperaturverteilung.

Die von den Laserquellen 40 und 41, die von den Impuls- Ansteuerschaltungen 42 und 43 angesteuert werden, emit­ tierten Lichtimpulse werden in die Lichtleitfaser 6 über den Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 15 geleitet. Ein Teil des durch den Lichtimpuls der Laser­ strahlquelle 40 erzeugten zurückgestrahlen Lichts kehrt, in Abhängigkeit von der Nähe zu der Einfallseite (links in der Darstellung) von jeweiligen Positionen der Lichtleitfaser 6, zu der Einfallseite zurück. In dem GaAs-Sensor 35 am freien Ende der Lichtleitfaser wird insbesondere das Licht mit einer kurzen Wellenlänge absorbiert durch das GaAs 36 und Licht mit einer Wellenlänge, die länger ist als die Endwellenlänge des Absorptionsbereichs von GaAs (Referenzlicht) wird über­ tragen und von dem Reflexionsfilm 37 reflektiert, bevor es in die optische Faser 6 zurückkehrt. Mit anderen Worten, das Licht der ersten Laserstrahlquelle 40 wird von dem GaAs 36 derart absorbiert, daß das reflektierte Licht reduziert wird. Andererseits wird das Licht der zweiten Laserstrahlquelle 41 von dem GaAs 36 nicht re­ flektiert, so daß dieses reflektierte Licht konstant ist.

Zwei Komponenten von gestreutem Raman-Licht (das Stokes-Licht und das Anti-Stokes-Licht) unter dem von den Anschlüssen P3 und P4 des Lichtwellenlängen-Auftei­ ler/Demultiplexer 15 erhaltenen Licht werden in Licht­ empfangseinrichtungen (Detektoren) 9a und 9b geleitet und deren Erfassungssignale durchlaufen eine Mitte­ lungsverarbeitung, die von einem Hochgeschwindigkeitsmittelwertbildner 10 ausgeführt wird, und dann eine Berechnungsverarbeitung, die von einer Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung (Datenverarbeitungseinheit) 11 durchgeführt wird.

Das von der Laserstrahlquelle 40 mit kurzer Wellenlänge erzeugte gestreute Rayleigh-Licht unter den Lichtstrah­ len, die von dem Anschluß P6 erhalten werden, wird in die Lichtempfangseinrichtung (Detektor) 46 geleitet. Das Referenzlicht der Laserstrahlquelle 41 mit langer Wellenlänge unter den Lichtstrahlen, die an dem An­ schluß P4 erhalten werden, wird in die Lichtempfangs­ einrichtung (Detektor) 47 geleitet.

Wie zuvor beschrieben, erfaßt die Lichtempfangseinrich­ tung 46 gestreutes Rayleigh-Licht, welches von der La­ serstrahlquelle 40 mit kurzer Wellenlänge erzeugt ist, und die Lichtempfangseinrichtung 47 erfaßt das Refe­ renzlicht des GaAs-Sensors 35 durch die Laserstrahl­ quelle 41 mit langer Wellenlänge, und deren Erfassungs­ signale werden in die Temperaturverteilungs- Berechnungsschaltung (Datenverarbeitungseinheit) 11 ge­ leitet. Da das gestreute Raman-Licht ein sehr schwaches Licht ist, werden die Erfassungssignale der Lichtempfangs­ einrichtungen 9a und 9b einer Mittelungsverarbei­ tung durch die Hochgeschwindigkeits-Mittelungseinheit 10 ausgesetzt, um Zufallsrauschen zu eliminieren und ein S/N-Verhältnis zu verbessern, wohingegen das Licht der Laserstrahlquelle 41 und das gestreute Rayleigh- Licht eine solche Verarbeitung nicht erfordern, so daß die Erfassungssignale der Lichtempfangseinrichtungen 46 und 47 sofort der Temperaturverteilungs- Berechnungsschaltung 11 eingegeben werden. Die Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung 11 berechnet die Temperaturverteilung aus den zwei Erfassungssigna­ len der Lichtempfangseinrichtungen 9a und 9b. Die Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung 11 berechnet auch ein Verhältnis der zwei Erfassungssignale der Lichtempfangseinrichtungen 46 und 47 und berechnet dann die Temperatur am freien Ende der Lichtleitfaser 6. Das Verhältnis wird aufgrund des folgenden Grunds berech­ net. Das durch die Lichtleitfaser 6 übertragene Licht wird von dem GaAs-Sensor 35 am freien Ende reflektiert und dann in die Lichtleitfaser 6 übertragen. Bei dieser Sachlage wird das Licht der Laserstrahlquelle 40 von dem GaAs 36 absorbiert und das reflektierte Licht wird demgemäß reduziert. Andererseits, da das Licht der La­ serstrahlquelle 41 von dem GaAs 36 nicht absorbiert wird, ist dieses reflektierte Licht konstant. Das Licht mit einer Wellenlänge in der Nähe der Absorptionsend­ wellenlänge des GaAs-Sensors 35, d. h. das gestreute Rayleigh-Licht, wird von der Lichtempfangseinrichtung 46 erfaßt und das Referenzlicht des GaAs-Sensors 35 wird von der Lichtempfangseinrichtung 47 erfaßt, und die Temperatur wird berechnet aus einem Verhältnis der Intensitäten dieser zwei Lichtstrahlen. Die berechnete Temperaturverteilung wird auf einer Anzeige 16 ange­ zeigt.

Wie zuvor beschrieben, wird die Erfassung der Tempera­ tur am freien Ende der Lichtleitfaser (Sensor) möglich (wobei die Erfassung üblicherweise unmöglich war). Das Temperaturverteilungs-Meßsystem, welches bei einer ge­ wissen Einrichtung verwendet wird, kann mit lediglich geringen Modifikationen verwendet werden, so daß ein kostengünstiges System geschaffen wird. Da der optische Sensor am freien Ende GaAs enthält und ein Reflexions­ film verwendet wird, erfordert der Sensor am freien Ende keine Elektrizität für seine Bewegung (Betrieb) und daher tritt kein Einfluß von Rückkehrrauschen oder externem Rauschen auf. Eine kontinuierliche Überwachung des Gegenstands wird durch den Sensor am freien Ende möglich.

Bei dem Beispiel nach Fig. 29 wird nur eine Lichtleit­ faser verwendet. Wie in Fig. 31 gezeigt, kann jedoch ein optischer Wellenaufteiler 48 an einer geeigneten Position der Lichtleitfaser 6 vorgesehen sein und GaAs- Sensoren 35 und 35′ können an den freien Enden der Lichtleitfaserzweige 6a und 6b vorgesehen sein, die sich jeweils von dem optischen Wellenaufteiler 48 er­ strecken.

Fig. 32 zeigt die Ausgangswellenformen der Lichtleitfa­ serenden, die in einem Fall erhalten werden, wo das Aufteilungsverhältnis der Verzweigungsseite 6a des op­ tischen Wellenaufteilers 48 größer ist als Auftei­ lungsverhältnis der Verzweigungsseite 6b des Teilers 48, wobei die Länge L1 des Zweigs 6a kleiner ist als die Länge L2 des Zweigs 6b. Das Signal von dem GaAs- Sensor 35 des Zweigs 6a kommt an dem Meßsystem 2 an, bevor das Signal von dem GaAs-Sensor 35′ des Zweigs 6b ankommt, so daß zwei Signale getrennt werden können. Der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 48 kann mehr als einmal vorgesehen sein.

In dem Beispiel nach Fig. 29 wird GaAs verwendet, es kann jedoch stattdessen auch ein phosphoreszierendes Material verwendet werden und als Lichtquelle kann ul­ traviolettes Licht verwendet werden, so daß Fluoreszenz erfaßt wird.

Weiterhin ist in dem Beispiel nach Fig. 29 - die Licht­ quelle für eine Punkttemperaturerfassung am freien Ende der Lichtleitfaserzweige 6a und 6b das Impulslicht. Eine andere Art von Licht kann jedoch verwendet werden, mit Ausnahme von Licht, das einen Wellenlängenbereich von gestreutem Raman-Licht hat, das zur Temperaturverteilungs-Messungsinformation verwendet wird. Weiterhin können ähnliche Ergebnisse erhalten werden unter Verwendung einer Lichtquelle mit konstanter Intensität.

(E) Empfindlichkeit und Grenze der APD

Eine Ansicht eines Temperaturverteilungssensors vom Raman-Typ wird erneut unter Bezugnahme auf Fig. 34 be­ schrieben.

Wenn das Impulslicht von der Lichtquelle 4 zu der opti­ schen Sensorfaser 6 geleitet wird, kehrt ein Teil des gestreuten Lichts, das in der optischen Faser 6 erzeugt wird, zu dem Meßsystem 2 als das zurückgestreute Licht zurück und tritt in den Lichtwellen-Auftei­ ler/Demultiplexer 15 ein. In dem Lichtwellenlängen-Auf­ teiler/Demultiplexer 15 werden das Anti-Stokes-Licht mit einer Wellenlänge λa und das Stokes-Licht mit einer Wellenlänge λs voneinander aus dem geführten, zurückge­ streuten Licht getrennt. Dann tritt das Anti-Stokes- Licht in das Anti-Stokes-Lichtmeßsystem 30a ein, das eine Lichtleitfaser 7a, einen Detektor 9a, einen Ver­ stärker 56a und eine Mittelungsschaltung 10a hat. In dem Detektor 9a wird das geführte Anti-Stokes-Licht in ein Spannungssignal gewandelt und der Verstärker 56a verstärkt dieses Signal, um es an den Eingangspegel der Mittelungsschaltung 10a auf einen geeigneten Wert anzu­ passen.

Die Synchronisation zwischen der Impulslichtquelle 4 und den Mittelungsschaltungen 10a, 10b wird von einem Synchronisierungssignal einer Trigger-Schaltung 3 aus­ geführt und das Abtasten des reflektierten Lichts wird in den Mittelungsschaltungen 10a und 10b mit konstanten Zeitintervallen Ts gemäß Fig. 47 ausgeführt. In der Mittelungsschaltung 10a wird darüberhinaus, um das S/N- Verhältnis des mit den Zeitintervallen Ts abgetasteten Signals zu verbessern, die Anzahl der Mit­ telungsverarbeitungen wiederholt synchron zu dem Syn­ chronisierungssignal der Trigger-Schaltung 3.

Die oben erwähnte Serie von Wandlung, Verstärkung und Mittelungs-Verarbeitung kann durch eine folgende Glei­ chung (61) ausgedrückt werden. Der gemittelte Wert Ia(t) der Zeitfunktion der Anti-Stokes-Lichtintensität, die in den Detektor eingegeben ist, wird von einer Gleichung (62) erhalten, die aus der Gleichung (61) entwickelt wird. Der gemittelte Wert Is(t) der Zeit­ funktion von Stokes-Licht kann auf ähnliche Weise er­ halten werden (eine Gleichung (63)).

wobei
ein Ausgangssignal der Mittelungsschaltung ist;
ein gemittelter Wert der Intensität des in den Detektor eingegebenen Lichts ist;
η ein Licht/Spannungs-Wandlungskoeffizient des Detektors ist; und
G die Verstärkung des Verstärkers ist,

und wobei die Indizes a und s sich jeweils auf das Anti-Stokes-Licht und das Stokes-Licht beziehen.

Der Temperaturverteilungssensor vom Lichtleitfasertyp, der Vorteile aus dem Raman-gestreuten Licht oder dem Rayleigh-gestreuten Licht zieht, verwendet äußerst schwach gestreutes Licht. Somit sind die verwendeten Detektoren 9a und 9b äußerst empfindliche op­ tisch/elektrische-(O/E)-Wandlergeräte. In den meisten Fällen wird zum Beispiel eine APD (Avalanche-Fotodiode) verwendet. Es ist jedoch anzumerken, daß die Erfas­ sungsempfindlichkeit um so mehr beeinflußt wird, je empfindlicher der Detektor wird. Daher ist es notwen­ dig, die Vorspannung der APD nachzustellen, wenn sich die Umgebungstemperatur verändert, und zwar um die ge­ eignete optische Empfindlichkeit aufrechtzuerhalten.

Gewöhnlich ist - wie in Fig. 34 gezeigt - eine Steuer­ signal-Meßeinheit 60 an der optischen Sensorfaser 6 vorgesehen und die Erfassung oder Lichtempfangsempfind­ lichkeit der APD wird derart eingestellt, daß der ge­ mittelte Wert der Lichtintensität von Anti- Stokes-Licht, das in der Einheit 60 erzeugt wird, und der gemittelte Wert der Lichtintensität von Stokes-Licht, das in der Einheit 60 erzeugt wird, zu jeweils vorbestimmten Werten werden, wodurch die Mes­ sung mit einer stabilen Empfindlichkeit ausgeführt wird.

Wenn jedoch die Zielwerte für die Anti-Stokes- Lichtintensität und die Stokes-Lichtintensität auf je­ weils hohe Werte gesetzt werden, um das Messen mit einem hohen S/N-Verhältnis durchzuführen, kann eine hochempfindliche Messung nur innerhalb eines gewissen Umgebungstemperaturbereiches erwartet werden (z. B. zwi­ schen 20°C und 40°C), d. h. ein Relaxations-Phänomen tritt in der Wellenform der Temperaturverteilung außer­ halb dieses Bereiches (z. B. unterhalb 20°C) auf, wie es in Fig. 33 gezeigt ist. Insbesondere wenn ein Teil (Steuersignal-Meßabschnitt 60) des Sensors in ein Bad mit konstanter Temperatur gesetzt wird, selbst wenn eine schrittweise Temperaturveränderung, wie in Fig. 33(a) gezeigt, an die Lichtleitfaser 6 angelegt wird, ist das Ergebnis der Temperaturverteilungsmessung eine Verteilung, bei der die schrittweise Temperaturänderung in Entfernungsrichtung gemäßigt wird (horizontale Ach­ senrichtung in der Darstellung), wie es durch die durchgezogene Linie in Fig. 33(b) gezeigt ist. Dies be­ deutet, daß ein Relaxations-Phänomen selbst in einem Ergebnis einer generellen Temperaturverteilungsmessung auftreten kann.

Die folgenden Passagen handeln von einem Temperaturver­ teilungssensor vom Lichtleitfasertyp, der eine Tempera­ turverteilung stabil gegen die Umgebungstemperaturveränderungen ausgeben kann, selbst wenn die Zielwerte der Anti-Stokes-Lichtintensität und der Stokes-Lichtintensität auf hohe Werte gesetzt wer­ den.

Wie zuvor erwähnt, wenn die Zielwerte der Intensitäten von Anti-Stokes- und Stokes-Licht, das zur APD- Erfassungsempfindlichkeitssteuerung verwendet wird, auf hohe Werte gesetzt werden, hat das Ergebnis der Tempe­ raturverteilungsmessung, bei einem Zustand niedriger Temperatur (unterhalb 20°C Umgebungstemperatur), ein Relaxationsphänomen, wie es in Fig. 33 gezeigt ist. Dies wird nachstehend in großer Genauigkeit diskutiert werden.

(1) Zunächst wurde die Zeitfunktion des Anti- Stokes-Lichts aus dem Anti-Stokes-Licht und dem Stokes-Licht geprüft. Die Ergebnisse zeigen, daß in der Zeit­ funktion vom Anti-Stokes-Licht kein Relaxations- Phänomen auftritt, wenn die Umgebungstemperatur hoch ist. Wenn jedoch die Umgebungstemperatur niedrig wird, tritt die Relaxation leicht in der Zeitfunktion auf. Die Erfinder fanden dann heraus, was diese Relaxa­ tion verursachte. Es liegt daran, daß die tatsächliche APD-Erfassungsempfindlichkeit etwas höher ist als die angestrebte.

Die zuvor erwähnte Grenze der Erfassungsempfindlichkeit wird bestimmt durch die Frequenzcharakteristiken der APD. Insbesondere verändert sich die Frequenzcharakte­ ristik der APD mit der Erfassungsempfindlichkeit der APD und die Charakteristik wird bis zu einer hohen Fre­ quenz aufrechterhalten, verschlechtert sich jedoch dar­ über. Andererseits wird die Erfassungsempfindlichkeit der APD von den Zielwerten des Anti-Stokes-Lichts und des Stokes-Lichts gesteuert. Daher, wenn die Zielwerte der Anti-Stokes-Lichtintensität und der Stokes- Lichtintensität ungeeignet hoch angesetzt werden, um das S/N-Verhältnis der Temperaturverteilungsmessung an­ zuheben, hat die erhaltene Temperaturverteilung die Re­ laxation. Um dieses Relaxations-Phänomen zu vermeiden, ist es wichtig, daß die Zielwerte der Anti-Stokes- Lichtintensität und der Stokes-Lichtintensität unter­ halb dieser Grenze eingestellt werden. Unter dieser Grenze werden die Frequenzcharakteristiken der APD nicht verschlechtert.

Der Fall, wo das Relaxations-Phänomen in der Zeitfunk­ tion des Anti-Stokes-Lichts auftritt, ist ein Fall, bei dem die Zielwerte der Lichtintensität von so­ wohl Anti-Stokes-Licht als auch Stokes-Licht jeweils auf die äußerste Grenze gesetzt werden. Der Grund, warum das Relaxations-Phänomen in der Zeitfunktion des Anti-Stokes-Lichts auftritt, liegt darin, daß sich die Zielwerte der Anti-Stokes-Lichtintensität und der Stokes-Lichtintensität verändern, d. h. die Lichtintensität an das Steuersignal-Meßsystem 40 ändert sich aus einigen Gründen, und die angestrebte Grenze der Erfassungsempfindlichkeit der APD wird überschrit­ ten.

(2) Der zuvor genannte Punkt wird nun näher betrachtet. Die Erfinder fanden heraus, daß, selbst wenn die APD- Empfindlichkeit gleich ist, die Anti-Stokes-Lichtintensität des Steuersignal-Meßsystems 60 klein ist, wenn die Umgebungstemperatur tief ist, verglichen mit einem Fall, wenn die Umgebungstemperatur hoch ist. Zum Beispiel, wenn die Umgebungstemperatur 0°C war, war die Lichtintensität um 20% niedriger im Vergleich zu einem Fall mit 40°C. Bei diesem Phänomen, wenn die APD- Empfindlichkeitssteuerung derart ausgeführt wird, daß der Ausgang der Mittelungsschaltung 11 entsprechend der Anti-Stokes-Lichtintensität der Zielwert unter der Be­ dingung einer niedrigen Umgebungstemperatur ist, wird die tatsächliche APD-Empfindlichkeit größer als die Grenze. Als Ergebnis werden die Frequenzcharakteristi­ ken der APD verschlechtert und das Relaxations-Phänomen tritt im Ergebnis der Temperaturverteilungsmessung und der Zeitfunktion des Anti-Stokes-Lichts auf.

(3) Ein ähnliches Phänomen, obwohl etwas geringer, kann bei dem Stokes-Licht betrachtet werden.

(4) Aus (3) kann geschlossen werden, daß der Grund, warum sich die Anti-Stokes-Lichtintensität und die Stokes-Lichtintensität des Steuersignal-Meßsystems 40 mit der Umgebungstemperatur verändern, selbst wenn die APD-Erfassungsempfindlichkeit konstant ist, daran liegt, daß die Anti-Stokes-Lichtintensität und die Stokes-Lichtintensität sich in diesem Abschnitt mit der Temperatur verändern, wie es durch die folgenden Glei­ chungen (64) und (65) ausgedrückt wird, die Steuerung jedoch ohne Berücksichtigung dieser Veränderungen aus­ geführt wurde.

Ia α β(t)/(1 - β(t)), (64)

Is α 1/(1 - β(t)), (65)

wobei
β(t)=exp{-(h·v·_k)/(k×T)} und

wobei
Ia die Anti-Stokes-Lichtintensität ist;
Is die Stokes-Lichtintensität ist;
h das Plancksche Wirkungsquantum ist;
v die Lichtgeschwindigkeit in der optischen Faser ist;
_k die Raman-Verschiebungswellennummer bzw. -anzahl ist;
k die Bolzmann-Konstante ist; und
T die Temperatur ist.

Um derartige Dinge zu vermeiden, ist es notwendig, die tatsächliche Temperatur Tc des Steuersignal-Meßsystems 60 zu erfassen, um die Anti-Stokes-Lichtintensität und die Stokes-Lichtintensität, die jeweils in dem Steuer­ signal-Meßsystem 60 gemessen werden, zu modifizieren und die APD-Erfassungsempfindlichkeitssteuerung unter Verwendung des modifizierten Ergebnisses auszuführen.

Ein Beispiel hierfür wird unter Bezugnahme auf Fig. 34 beschrieben.

In Fig. 34 ist ein Temperatursensor 61 vom Punkt-Typ gezeigt zum Messen der Temperatur Tc des Steuersignal- Meßsystems 60. Der Punkt-Typ-Temperatursensor 61 kann ein Temperaturerfassungselement wie einen Thermokopp­ ler, einen Platinwiderstand oder einen Thermistor ent­ halten.

Die APD-Erfassungsempfindlichkeitssteuerung der Detek­ toren 9a unf 9b wird auf die folgende Art und Weise ausgeführt.

Die Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung 11 ver­ wendet die gemessenen Werte und der Anti- Stokes-Lichtintensität bzw. der Stokes-Lichtintensität in dem Steuersignal-Meßsystem 60 nicht direkt, sondern die gemessenen Werte und der Anti-Stokes- Lichtintensität bzw. der Stokes-Lichtintensität werden durch die folgenden Gleichungen (67) und (68) unter Verwendung der Temperatur Tc des Steuersignal-Meßsy­ stems 60 zuerst gewandelt, die von dem Temperatursensor 61 vom Punkt-Typ eingegeben wird.

wobei
Tc eine gemessene Temperatur des Temperatursen­ sors vom Punkt-Typ ist (Temperatur des Steuersignal- Meßsystems) und
Ts eine Referenztemperatur ist.

Als nächstes werden Steuersignale an eine Vorspann- Einstellschaltung der APD derart gegeben, daß die ge­ wandelten Werte () die vorbestimmten Zielwerte Iat und Ist werden.

Die Zielwerte Iat und Ist der Anti-Stokes- Lichtintensität und der Stokes-Lichtintensität des Steuersignal-Meßsystems 60 werden derart bestimmt, daß, wenn die Temperatur Tc des Steuersignal-Meßsystems 60 gleich der Referenztemperatur Ts ist, die Frequenzcha­ rakteristiken der APD selbst in einem hohen Frequenzbe­ reich nicht verschlechtert werden, und das Relaxations- Phänomen in der gemessenen Temperaturverteilung nicht auftritt.

Eine konkrete Steuertechnik für die APD- Erfassungsempfindlichkeit unter Verwendung der gewan­ delten Werte Iac und Isc, die aus den Gleichungen (67) und (68) abgeleitet werden, kann eine bekannte Steuer­ technik sein. Hier wird die folgende einfache Technik verwendet: Die gewandelten Werte Iac und Isc werden mit jeweiligen Zielwerten Iat und Ist verglichen. Wenn die gewandelten Werte Iac und Isc kleiner sind als die ent­ sprechenden Zielwerte, werden die entsprechenden Erfassungsempfindlichkeiten der APD angehoben, während, wenn die ersteren größer sind als die letzteren, die entsprechenden Erfassungsempfindlichkeiten der APD ab­ gesenkt werden. Es kann jedoch auch eine andere Technik, z. B. eine PID-Steuerung verwendet werden.

Das Durchführen einer derartigen Steuerung bedeutet, daß der Licht/Spannungs-Wandlerkoeffizient η der Detek­ toren 9a und 9b in den Gleichungen (61) bis (63) kon­ stant aufrechterhalten wird. Es bedeutet auch, daß eine beliebige APD-Temperatur mit einem konstanten Licht/Spannungs-Koeffizienten gemessen wird. Daher ist es möglich, die APD-Erfassungsempfindlichkeit konstant zu halten, und als Ergebnis überschreitet die Erfas­ sungsempfindlichkeit die Grenze nicht, selbst wenn sich die APD-Temperatur verändert. Mit anderen Worten, das Relaxations-Phänomen, das herkömmlich zusammen mit der Verschlechterung der APD-Frequenz auftritt, wird nicht auftreten.

In dem Beispiel nach Fig. 34 werden der gemittelte Wert der Intensität von Anti-Stokes-Licht, das dem De­ tektor 9a eingegeben wird, und der gemittelte Wert der Intensität von Stokes-Licht, das dem Detektor 9b eingegeben wird, als die Signale von Anti-Stokes- Licht und Stokes-Licht des Steuersignal-Meßsystems 60 verwendet, das jeweils für die APD- Erfassungsempfindlichkeitssteuerung verwendet wird. An­ stelle dieser gemittelten Signale können jedoch auch die Ausgänge und der Mittelungsverarbeitungsschaltungen 10a und 10b verwen­ det werden. In der Fig. 34 werden ebenfalls die gemit­ telten Werte von Anti-Stokes-Licht bzw. Stokes-Licht, die den jeweiligen Detektoren eingegeben werden, d. h. und verwendet, stattdessen können jedoch auch die Intensitäten der Anti-Stokes-Lichtstärke und des Stokes-Lichts verwendet werden, die tatsächlich in dem Steuersignal-Meßsystem 60 erzeugt und aus und gewonnen werden. Kurz gesagt sind jegliche Para­ meter, die den Lichtintensitäten des Anti-Stokes-Lichts und des Stokes-Lichts proportional sind, die in dem Steuersignal-Meßsystem 60 erzeugt werden, zufrieden­ stellend.

Weiterhin kann jede Anzahl von Abtastpunkten mit dem Abtastzeitintervall Ts in dem Steuersignal-Meßsystem 60 enthalten sein. In einem Fall, in dem eine Vielzahl von Abtastpunkten enthalten ist, ist es möglich, eine hoch­ genaue APD-Erfassungssteuerung unter Verwendung eines Durchschnittswertes dieser durchzuführen, verglichen mit einem Fall, der einen Abtastpunkt verwendet.

(F) Eliminierung des Übertragungsverlustunterschieds

Eine konkrete Technik zum Erhalten der Temperatur aus der optischen Sensorfaser aus den Lichtintensitäten der zwei Komponenten von gemessenem Raman-Streulicht (das Anti-Stokes-Licht und das Stokes-Licht) wird im folgen­ den erläutert.

Die gemessenen Streulichtintensitäten werden für jedes Abtastintervall erfaßt und die n-te gemessene Anti- Stokes-Lichtintensität Ia(n) (n=1, 2, 3, . . .), deren Dämpfungskoeffizient γa(n), die n-te gemessene Stokes-Lichtintensität Is(n) und deren Dämpfungskoeffizient γs(n) sind durch die folgenden Ausdrücke gegeben.

wobei

wobei
Ks, Ka: Konstanten,
γs, γa: Dämpfungskoeffizienten,
Bs(T), Ba(T): Raman-Streulicht-Erzeugungswahr­ scheinlichkeit
β(T): Temperaturfunktion, die die Raman-Streu­ licht-Erzeugungswahrscheinlichkeit bestimmt,
h: Plancksches Wirkungsquantum,
γ_k: Verschiebewellennummer, die durch die Mate­ rialstruktur der optischen Faser bestimmt ist,
c: Lichtgeschwindigkeit,
n_c: Brechungsindex der optischen Faser,
k: Bolzmann-Konstante,
T: Absolute Temperatur,
αr: Übertragungsverlust von Rayleigh-gestreutem Licht,
αs: Übertragungsverlust von Stokes-Licht,
αa: Übertragungsverlust von Anti-Stokes-Licht,
Δx: Entfernung entsprechend dem Abtastintervall.

Mit Gleichung (71) wird ein Verhältnis der Lichtinten­ sitäten von Anti-Stokes-Licht und Stokes-Licht durch folgende Gleichung ausgedrückt.

Wenn die Dämpfungskoeffizienten γs und γa bereits be­ kannt sind, wird die Temperaturfunktion β(T), die die Raman-Streulicht-Erzeugungswahrscheinlichkeit bestimmt, aus den gemessenen Ia(n), Is(n) und der Gleichung (73) erhalten. Dann wird die Temperatur T(n) entsprechend dem n-ten Abtastpunkt unter Verwendung der Gleichung (72) erhalten.

Die Entfernung x(n) entsprechend dem n-ten Abtastpunkt ist proportional zu der Zeit t(n), die für eine hin- und herverlaufende Ausbreitung über die Entfernung x(n) gebraucht wird. Daher wird die Beziehung zwischen diesen zwei durch die folgende Gleichung (74) ausgedrückt.

x(n) = {c · t(n)}/(2 · nc) (74)

Auf diese Weise werden die Entfernung und die Tempera­ tur entsprechend jedem Abtastpunkt erhalten, wodurch die Temperaturverteilung entlang der optischen Faser gemessen werden kann. Da die Temperatur erhalten wird aus dem Verhältnis von Anti-Stokes-Licht und Stokes- Licht (zwei Komponenten von Raman-Streulicht), wie es durch die Gleichung (73) gezeigt ist, wird die Tempera­ tur nicht durch Mikroverbiegungsverluste und die Kopp­ lungs- oder Verbindungsverluste der optischen Faser be­ einflußt, da in denen beide Komponenten in gleichen bzw. entsprechenden Beträgen enthalten sind.

Durch Verwendung der Gleichung (73) wird das Verhältnis der Dämpfungskoeffizienten {γa(n)/γs(n)}, die bei der Berechnung der Temperaturfunktion β{T(n)} erforderlich sind, ausgedrückt durch Δα (den Unterschied zwischen den Übertragungsverlusten αa und αs), wie es durch Gleichung (75) gezeigt ist. Daher wird die Temperatur­ funktion β{T(n)} erhalten, wenn Δα bekannt ist,

{γa(n)/γs(n)} = exp (-Δα·n·Δx) (75)

wobei Δα = αa - αs.

Da der Übertragungsverlustunterschied Δα sehr klein ist, kann dieser Verlustunterschied vernachlässigt werden, wenn die Lichtleitfaser kurz ist, kann jedoch nicht vernachlässigt werden, wenn die Lichtleitfaser lang ist.

Üblicherweise wird der Übertragungsverlust gemessen bevor die Lichtleitfaser angeordnet wird und es wird bestimmt, ob eine gewisse Messung vorzunehmen ist oder Temperaturen bei gewissen Punkten der Lichtleitfaser durch ein getrenntes Thermometer gemessen werden. Mit anderen Worten, die Lichtleitfaser wird eingestellt, um eine gleichförmige Temperatur entlang ihrer gesamten Länge zu haben, und das Anti-Stokes-Licht und das Stokes-Licht werden bei jeder Abtastzeit gemessen, um den Übertragungsverlustunterschied Δα mit einem belie­ bigen Intervall zu erhalten. Z. B. wird der Übertra­ gungsverlust Δα zwischen den Abtastpunkten n1 und n2 erhalten aus den Gleichungen (71) und (72) unter Be­ rücksichtigung der Temperatur β(T) als konstant über die gesamte Länge und das Ergebnis wird durch die Glei­ chung (76) gegeben.

Δα = [1/{(n2-n1)·Δx}] · In[{Ia(n1)/Ia(n2)} ÷ {Is(n1)/Is(n2)}]. (76)

Gemäß dem oben beschriebenen Ansatz, wenn eine bereits installierte Lichtleitfaser, deren genauer Übertra­ gungsverlust nicht bekannt ist, als der Sensor verwen­ det wird, oder wenn eine billige Lichtleitfaser verwen­ det wird, deren Übertragungsverlust sich über eine lange Zeitspanne verändern könnte, kann jedoch hin­ sichtlich der Meßgenauigkeit eine Schwierigkeit auftre­ ten. Andererseits verursacht das Verwenden des separa­ ten Thermometers ein Kostenproblem.

Der Übertragungsverlust der Lichtleitfaser, wie in Fig. 36(a) gezeigt, kann eine Kurve haben, die einen Absorptionsverlust in einem bestimmten Wellenlängenbereich hat. Wenn die Lichtleitfaser in diesem Wellenlängenbe­ reich für lange Zeit verwendet wird, könnte sich der Übertragungsverlust verändern. Daher wird ein herkömm­ licher Temperatursensor vom Raman-Typ verwendet, der außerhalb dieses Bereiches liegt. Mit anderen Worten, der herkömmliche Temperatursensor hat eine Einschränkung hinsichtlich des zu verwendenden Wellenlängenbereichs. Dies bedeutet, daß eine beliebige Lichtquelle nicht verwendet werden kann, was das gesamte System teuer macht.

Die folgenden Passagen behandeln eine Technik, um den Übertragungsverlustunterschied Δα von zwei Komponenten (dem Anti-Stokes-Licht und dem Stokes-Licht) von Raman- Streulicht zu messen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 35 emittiert die Impulslicht­ quelle 4 das Licht mit einer Wellenlänge λo in Syn­ chronismus mit einem Synchronisierungssignal von einer Trigger-Schaltung (Controller) 3. Das Impulslicht der Lichtquelle 4 wird in die optische Sensorfaser 6 über eine optische Faser 5a und den Lichtwellenlängen- Aufteiler-Demultiplexer 15 eingeführt. Ein Teil des von der optischen Faser 6 erzeugten gestreuten Lichts kehrt zu dem Meßsystem 2 als zurückgestreutes Licht zurück und tritt in den Lichtwellenlängen-Auftei­ ler/Demultiplexer 15 ein. In dem Lichtwellenlängen-Auf­ teiler/Demultiplexer 15 werden das Anti-Stokes-Licht mit einer Wellenlänge λα und das Stokes-Licht mit einer Wellenlänge λs voneinander aus dem eingeführten zurückgestreuten Licht getrennt.

Das getrennte Anti-Stokes-Licht der Wellenlänge λa läuft durch eine Lichtleitfaser 7a und tritt in ein Anti-Stokes-Licht-Meßsystem 30a ein, das einen Detektor 9a, einen Verstärker 56a, einen A/D-Wandler 57a und eine (Mittelungs- bzw.) Equalizer- Verarbeitungsschaltung 10a hat. Ein Signal des Anti- Stokes-Lichts, das in ein elektrisches Signal von einem Detektor 9a gewandelt ist, wird von dem Verstärker 56a verstärkt, dann von dem A/D-Wandler 57a mit einer Ab­ tastzeit von 10 ns entsprechend einer Abtastentfernung von einem Meter abgetastet und in ein Digitalsignal i_a(n) gewandelt. Die Daten i_a(n) entsprechend den Anti-Stokes-Lichtintensitäten von jeweiligen Abtast­ punkten (Positionen) auf der optischen Faser werden z. B 2¹⁶ mal einer arithmetischen Mittelungsverarbei­ tung von der Mittelungs-Verarbeitungsschaltung 10a un­ terzogen, wodurch Abtastdaten Ia(n) mit einem hohen S/N erhalten werden.

Andererseits tritt das Stokes-Licht der Wellenlänge λs, was von dem Wellenaufteiler 15 separiert ist, in das Stokes-Licht-Meßsystem 30b ein, erfährt eine ähn­ liche Verarbeitung wie das Anti-Stokes-Licht und dann werden Abtastdaten Is(n) aus der Equalizer- Verarbeitungsschaltung 10b ausgegeben.

In der Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung 11 werden die gemittelten Abtastdaten Ia(n) und Is(n) für jeden Abtastpunkt in die folgende Gleichung (78) einge­ geben, um Beziehungen für jeweilige Abtastpunkte zu er­ halten.

Is(n)/{Ks·γs(n)} - Ia(n)/{Ka·γa(n)} = 1. (78)

Es ist aus Gleichung (72) offensichtlich, daß die Dämpfungskoeffizienten γa(n) und γs(n) der Gleichung (78) nur durch die Übertragungsverluste αr, αa und αs ausge­ drückt werden können. Hier wird die Gleichung (78) wie folgt erhalten: die Gleichung (77), die erhalten wird durch Entwickeln der Gleichung (72), wird in die Glei­ chung (71) eingesetzt und die temperaturabhängigen Aus­ drücke werden eleminiert.

Bs(T) - Ba(T) = 1. (77)

Als nächstes wählt die Temperaturverteilungs- Berechnungsschaltung 11 beliebig drei Gleichungen unter den oben erhaltenen Gleichungen für jeden Abtastpunkt aus, um durch Lösen der gleichzeitigen Gleichungen die Übertragungsverluste αr, αa und αs als die drei Unbekannten zu erhalten.

Die Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung 11 be­ rechnet auch die Dämpfungskoeffizienten γa(n) und γs(n) entsprechend den jeweiligen Abtastpunkten, und zwar unter Verwendung der erhaltenen Übertragungsverluste αr, αa und αs. Hier werden Konstanten Ka und Ks zuvor durch Messen von Ia(n) und Is(n) unter Verwendung der Gleichung (78) erhalten, wobei eine Lichtleitfaser ver­ wendet wird, deren Dämpfungskoeffizient bereits bekannt ist.

Die Dämpfungskoeffizienten γa(n) und γs(n) werden in die Gleichung (73) eingesetzt, um die Temperatur T(n) der jeweiligen Abtastpunkte zu erhalten. Auf diese Weise, selbst wenn der Übertragungsverlust der Licht­ leitfaser unbekannt ist, ist es möglich, die Tempera­ turverteilung T(n) entlang der Lichtleitfaser durch die optische Faser (Sensor) selbst zu gewinnen.

Vorstehend wird eine Kombination aus drei willkürlichen Gleichungen verwendet, um die drei Unbekannten (die Übertragungsverluste αr, αs und αa) zu erhalten. Da je­ doch eine Anzahl von Gleichungen verfügbar ist, nämlich so viele wie die Anzahl von Abtastungen, kann eine wei­ tere Kombination der drei Gleichungen zusammen ver­ wendet werden. Z. B. können die Durchschnittswerte der Übertragungsverluste αr, αs und αa, jeweils erhalten aus zwei Gruppen von drei Gleichungen, verwendet wer­ den. In einem solchen Fall kann eine höhere Genauigkeit in der Temperaturverteilung erwartet werden verglichen mit einem Fall, bei dem die Übertragungsverluste αr, αs, αa verwendet werden, die aus nur einer Gruppe der drei Gleichungen erhalten werden.

Die Dämpfungskoeffizienten können berechnet werden durch eine Wiederholungsverarbeitung wie unten be­ schrieben.

Aus Gründen der einfacheren Erläuterung wird zunächst eine Entwicklungstechnik der Gleichung (712) erläutert, die anstelle der Gleichung (78) verwendet wird.

Die Übertragungsverluste αr, αs und αa können durch einen Satz von Gleichungen (79) ausgedrückt werden.

αr = αr0 + Δαr

αs = αs0 + Δαs (79)

αa = αa0 + Δαa

Hier sind die ersten Ausdrücke auf der rechten Seite der Gleichung (79) angenommene Werte und die zweiten Ausdrücke auf der rechten Seite sind der Unterschied zwischen den angenommenen Werten und den jeweiligen wahren Werten.

Die Dämpfungskoeffizienten können durch die Gleichungen (710) durch Einsetzen der Gleichung (79) in die Glei­ chung (72) approximiert werden.

wobei

Das Einsetzen der Gleichung (710) in die Gleichung (78) ergibt die Gleichung (712):

Ys(n) · (1+n·εs) - Ya(n) · (1+n·εa) = 1, (712)

wobei

Die Gleichung (712) ist für jeden Abtastpunkt wirksam und unbekannt sind nur εs und εa. Andere Werte als die Unbekannten werden aus den Meßergebnissen erhalten.

Zunächst wird eine Berechnung des geringsten (Fehler-) Quadrats für die an den Meßpunkten für Is(n) und Is(n) wirksamen Gleichungen ausgeführt, um εs und εa zu er­ halten. Ks und Ka sind zuvor erhalten und ks und ka werden aus den angenommenen Werten αr, αs und αa be­ stimmt.

Als nächstes werden die Dämpfungskoeffizienten γa und γs als auch die Übertragungsverluste αr, αs und αa aus den Gleichungen (79) bis (711) gewonnen, und zwar unter Verwendung von εs und εa.

Die oben beschriebenen Berechnungen werden wiederholt unter der Annahme, daß die so erhaltenen Übertragungs­ verluste αr, αa und αs die ersten Audrücke auf der rechten Seite der Gleichung (79) sind, d. h. daß αro=αr, αso=αs und αao=αa. Diese zweite Berechnung reduziert die Größe der Unterschiede Δαr, Δαs und Δαa zwischen den angenommenen Werten und den wahren Werten, wie verglichen mit den Unterschieden nach der ersten Berechnung, und verbessert die Genauigkeit von αr, αs und αa, verglichen mit derselben.

Wenn die Berechnungen für eine bestimmte Anzahl von Malen, z. B. 100 mal, wiederholt werden, haben die letztendlich erhaltenen Übertragungsverluste αr, αs und αa jeweils eine sehr hohe Genauigkeit. Die Dämpfungsko­ effizienten γa(n) und γs(n) entsprechend den jeweiligen Abtastpunkten werden erhalten unter Verwendung dieser hochgenauen Werte und das Ergebnis wird in die Glei­ chung (73) eingesetzt, um die Temperaturverteilung T(n) zu erhalten.

Fig. 36(b) zeigt das Ergebnis (weiße Kreise) der tat­ sächlichen Messung des Übertragungsverlustunterschieds Δα der optischen Sensorfaser nach den wiederholten Be­ rechnungen. Dieses Ergebnis stimmt mit dem Ergebnis (durchgezogene Linie) überein, das erhalten wird unter Verwendung einer Spektralcharakteristik-Meßeinrichtung. Dies bedeutet, daß die sich wiederholenden Berechnungen Sinn machen.

Das vorstehende behandelte den Temperatur-Verteilungs­ sensor vom Lichtleitfasertyp unter Verwendung von Raman-Streulicht als Temperaturinformation obwohl es auch angewendet werden kann auf einen Temperatur-Ver­ teilungssensor vom Lichtleitfasertyp, der eine Kombina­ tion aus Rayleigh-Streulicht und Raman-Streulicht ver­ wendet, und in diesem Fall können die gleichen Wirkun­ gen erwartet werden.

Selbst in dem Wellenlängenbereich, in dem der Absorpti­ onsverlust auftritt, wird die Temperatur-Verteilungs­ messung möglich gemacht. Daher kann eine Lichtquelle mit einer beliebigen Wellenlänge verwendet werden. Dies reduziert die Herstellungskosten der gesamten Sensoran­ ordnung. Selbst wenn der Übertragungsverlust der opti­ schen Sensorfaser sich aus irgendeinem Grund ändert, wird der Verlust hochgenau erfaßt, so daß eine kosten­ günstige Lichtleitfaser verwendet werden kann und die Verläßlichkeit der Temperatur-Verteilungssensor- Anordnung verbessert wird. Zusätzlich, selbst wenn die Temperatur-Verteilung der optischen Sensorfaser unbe­ kannt ist, ist es nicht notwendig, den Übertragungsver­ lust zuvor herauszufinden, da der Übertragungsverlust zu einem bekannten Wert werden wird.

(G) Eliminierung des Einflusses vom optischen Verlust

Wie zuvor beschrieben, da die Wellenlängen vom Stokes- Licht und Anti-Stokes-Licht sich voneinander unter­ scheiden, sind auch die Übertragungsverluste in der op­ tischen Sensorfaser unterschiedlich. Daher, wenn das Intensitätsverhältnis von Stokes-Licht und von Anti- Stokes-Licht als die Temperaturinformation genommen wird, ist eine Kompensation hinsichtlich des Übertragungsverlustunterschieds zwischen dem Stokes- Licht und dem Anti-Stokes-Licht notwendig. Demgemäß müssen deren Konstanten korrekt erfaßt werden.

Die zuvor erwähnten Ansätze (Fig. 35 u. 36) erfassen jedoch Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen (das Stokes-Licht und das Anti-Stokes-Licht), so daß der Er­ fassungsteil kompliziert wird und das gesamte System teuer macht.

Fig. 37 erläutert eine perspektivische Ansicht einer weiteren Temperaturverteilungssensor-Anordnung vom Fa­ sertyp, die nur eine Komponente vom Raman-Streulicht verwendet. Wie erläutert, wird eine Reflexionsplatte 64 an einem freien Ende der optischen Sensorfaser 6 vorge­ sehen zur Totalreflexion von eingegebenem Licht. Das Meßsystem 2 erfaßt die Temperatur eines Teils der opti­ schen Faser unter Verwendung OTDR-Verfahrens. Das Meß­ system 2 hat die bereits erwähnte Lichtquelle 4, den optischen Wellenaufteiler 15, die Detektoren 9a und 9b, die Equalizer-Verarbeitungsschaltungen 10a und 10b und die Temperatur-Verteilungs-Berechnungsschaltung 11. Hier sollte angemerkt werden, daß, da eine Komponente von Raman-Streulicht ausreicht, entweder die Anti- Stokes-Lichtmeßeinheit 30a oder die Stokes- Lichtmeßeinheit 30b als OTDR-Meßschaltung ausreicht.

Ein folgendes Beispiel behandelt einen Fall, bei dem Anti-Stokes-Licht verwendet wird.

Wenn der Lichtimpuls, der von der Lichtquelle ausgegeben wird durch die optische Sensorfaser 6 läuft, die Reflexionsplatte 64 erreicht und zu dem Meßsystem 2 zurückkehrt, wird bei jedem Punkt der optischen Sen­ sorfaser 6 zurückgestreutes Licht erzeugt und in das Meßsystem 2 geleitet, so daß das Anti-Stokes-Licht durch den optischen Wellenaufteiler 15 getrennt und dann von dem Detektor 9a der Anti-Stokes- Lichtmeßeinheit 30a innerhalb des Meßsystems 2 detek­ tiert wird.

Fig. 38 zeigt ein Beispiel der Veränderung der Streulichtintensität mit der Zeit. Die Streulichtinten­ sität hat aufgrund des Übertragungsverlustes der opti­ schen Faser 6 die dargestellte Neigung.

Wenn "L" der Gesamtlänge der optischen Sensorfaser 6 zugewiesen wird und "C" der Lichtgeschwindigkeit in der Lichtleitfaser zugewiesen wird, ist die Zeit von der Lichtausgabe von der Lichtquelle 4 bis zum Zurückkehren als bei der Position direkt vor der Reflexionsplatte 64 zurückgestreutes Licht, d. h. die Zeit zwischen der Aus­ gabe des optischen Impulses und dem Eingang des zurück­ gestreuten Lichts in den Detektor innerhalb des Meßsy­ stems 2, gleich 2L/C. Andererseits wird der ausgegebene Lichtimpuls von der Reflexionsplatte 64 reflektiert und aus dem bei der Position direkt vor dem Eintritt in das Meßsystem 2 erzeugten Streulicht wird ein Teil, der in die Richtung der Reflexionsplatte 64 fortschreitet, von der Reflexionsplatte 64 reflektiert. Die Zeit zum Erreichen des Systems 2 ist 4 L/C.

Daher ändert sich die Intensität des zurückgestreuten Lichts mit der Zeit, wie es in Fig. 38 gezeigt ist. Insbesondere ändert sich die Intensität des zurückge­ streuten Lichts, wie es durch A in Fig. 38 gezeigt ist, bis der optische Ausgangsimpuls von der Lichtquelle 4 die Reflexionsplatte 64 erreicht, und verfügt über Fresnel-Reflexion am Ende der optischen Faser, wie durch B angedeutet. Die Intensitätsveränderung des von dem optischen Impuls zurückgestreuten Lichts, das zu dem System 2 zurückkehrt, wenn durch die Reflexions­ platte 64 reflektiert, enthält einen Verlust aufgrund einer Reflexion durch die Reflexionsplatte 64, wie an­ gedeutet durch e, und verläuft hiernach auf einer Kurve, wie angedeutet durch A′. Die Intensität des Streulichts während einer Zeit Δt, wobei die Zeit 2 L/C der Mittelpunkt ist, entspricht der Streulichtintensi­ tät in der entsprechenden Position (Entfernung) der op­ tischen Sensorfaser. D und D′ zeigen die Intensitäten von zurückgestreutem Licht bei einem jeweiligen Hoch­ temperaturabschnitt.

Das zurückgestreute Licht, was durch A′ angedeutet ist, erhält durch Vorsehen der Reflexionsplatte 64 einen meßbaren Pegel am Eingabeende. Wenn die Reflexionsplatte 64 nicht vorgesehen ist, wie bei der herkömmlichen Anordnung, ist die Menge des am entfernten Ende der op­ tischen Faser reflektierten Lichts gering und der Ver­ lust bei e ist so groß, daß das durch A′ angezeigte zu­ rückgestreute Licht nicht erfaßt werden kann.

Fig. 39 zeigt ein Diagramm, bei dem die zeitliche Ver­ änderung der logarithmischen Skala für die Streulicht­ intensität korrespondierend zu der Entfernung der Lichtleitfaser 6 gemacht ist. Die Streulichtintensität, die erzeugt wird, bis die Lichtimpulsausgabe von der Lichtquelle 4 die Reflexionsplatte 64 erreicht, ist durch a in Fig. 39 gezeigt, und die Streulichtintensi­ tät, nachdem der Lichtimpuls von der Reflexionsplatte 64 reflektiert ist, ist durch a′ gezeigt.

Es ist möglich, die Streulichtveränderung aufgrund des Übertragungsverlustes der Lichtleitfaser 6 zu eleminie­ ren durch Berechnen von (a+a′) an den jeweiligen Po­ sitionen der Lichtleitfaser 6 durch die Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung 11, die in dem System 2 installiert ist. Das Ergebnis ist in Fig. 40 gezeigt, bei der sich die Streulichtintensität nur mit der Temperatur ändert. Daher wird die Temperaturinformation erhalten.

Dieser Ansatz wird in großer Genauigkeit unter Bezug­ nahme auf Fig. 41 beschrieben.

Wenn "L" der Gesamtlänge der optischen Sensorfaser zu­ gewiesen ist, "I₁" der Intensitätsveränderung von zu­ rückgestreutem Licht aufgrund des übertragenen Lichtim­ pulses, bis dieser die Reflexionsplatte von dem Ein­ gabeende der optischen Sensorfaser erreicht, "I₂" der Intensitätsveränderung des zurückgestreuten Lichts auf­ grund des übertragenen Lichtimpulses, und zwar nach der Reflexion durch die Reflexionsplatte 64, "I₁₀" dem Wert von "I₁" bei dem Eingabeende der Lichtleitfaser und "I₂₀" dem Wert von"I₂" bei der Position der Reflexionsplatte 64 zugewiesen ist, sind I₁(x) und I₂(x) (I₁ und I₂ im Abstand x von dem Eingabeende der Lichtleitfaser) gegeben durch die folgenden jewei­ ligen Ausdrücke:

I₁(x) = I₁₀ exp (-α·x) f(Tx),

I_s(x) = I₂₀ exp {-α (L-x)} f(Tx),

wobei
α eine Konstante ist und
f(Tx) eine Temperaturfunktion.

Der geometrische Durchschnitt I*(x) von I₁(x) und I₂(x) wird wie folgt ausgedrückt:

I*(x) = {I₁(x) I₂(x)}^0,5 = (I₁₀ I₂₀)^0,5 f(Tx).

Das so erhaltene I*(x) hat keinen Anteil mit Übertra­ gungsverlust und wird eine ausschließliche Funktion der Temperaturinformation f(Tx).

Daher ist es mit dieser Information nicht notwendig, den Übertragungsverlust der Lichtleitfaser zu berück­ sichtigen, und es ist möglich, eine beliebige Licht­ leitfaser als Sensor zu verwenden. Da es möglich ist, die Temperatur unter Verwendung nur einer Komponente von Raman-Streulicht zu detektieren, kann das gesamte System kostengünstig hergestellt werden.

Ein Spiegel kann ein typisches Element sein, das als Reflexionsplatte 64 verwendet wird, es kann jedoch auch jedes andere Element zufriedenstellend verwendet wer­ den, solange es Licht total reflektieren kann.

(H) Erfassung eines Bereichs, der kleiner ist als die Entfernungsauflösungsleistung

Ein herkömmlicher Temperatursensor vom Lichtleitfaser­ typ hat folgende Nachteile:

• (1) Es ist unmöglich, eine Temperatur eines Gegenstandes zu erfassen, der kleiner ist als der minimal erfaßbare Abstand (Auflösung) des Systems. Der er­ faßbare Abstand würde durch Reduzieren einer Im­ pulsbreite einer Lichtquelle (und durch Anheben einer Abtastfrequenz) verkürzt werden. Dies erfor­ dert jedoch einen Impulsgenerator hoher Geschwin­ digkeit und eine Datenverarbeitungseinheit hoher Geschwindigkeit. Die Kosten steigen;
• (2) Wenn ein Teil der installierten Lichtleitfaser ge­ wunden ist, um einen Spot-Sensor vom Lichtleitfa­ sertyp zu bilden, steigt der optische Verlust auf­ grund einer Verdrehung der Lichtleitfaser an und demgemäß ist der dynamische Bereich des Tempera­ turverteilungssensors begrenzt, wodurch es erforderlich ist, die Anzahl von Spot-Sensoren und den Abstand bzw. die Entfernung der Lichtleitfaser zu reduzieren. Weiterhin verringert eine Deforma­ tion aufgrund der Verdrehung die Festigkeit der Faser und die Langzeitzuverlässigkeit wird ver­ schlechtert; und
• (3) die Lichtleitfaser kann geschnitten bzw. geschlif­ fen sein und der Spot-Sensor vom Lichtleitfaser­ typ, der zuvor derart gewunden ist, daß der Sensor keine Verdrehung hat, kann in den geschliffenen Teil der Lichtleitfaser durch Schmelzspleißen ein­ geführt und gekoppelt werden. Das Schmelzspleißen ist jedoch eine aufwendige Arbeit. Zusätzlich, so­ bald der Sensor mit der Lichtleitfaser gekoppelt ist, ist es schwierig, den Sensor aufgrund der Schmelzspleißung zu entfernen.

Die folgenden Passagen behandeln den Spot-Sensor vom Lichtleitfasertyp, der keine Verdrehungen hat. Unter Bezugnahme auf die Fig. 42 und 43 ist ein ovales Gehäuse 65 aus einem Material hergestellt, das gute Wärmeübertragungseigenschaften hat. Das Gehäuse 65 bildet - zusammen mit einer Lichtleitfaser 66, die in dem Gehäuse 65 angeordnet ist - einen Spot-Sensor vom Lichtleitfasertyp.

Die bereits installierte optische Sensorfaser 6 wird ausgezogen, wobei irgendein Teil der optischen Sensor­ faser 6 nicht geschliffen ist, und in das Gehäuse 65 als Lichtfaser-Schlüssel bzw. -Knoten 67 eingeführt. Der Lichtfaser-Code 67 ist an dem Eingang des Gehäuses mittels eines Befestigungselements 68 festgelegt und wird dann in vor- und zurücklaufende, entmantelte Lichtleitfasern 66 aufgeteilt und durch Kevlar-Elemente 69 in dem Gehäuse 65 befestigt.

Um es möglich zu machen, ein Objekt kleiner als der mi­ nimal erfaßbare Abstand des Temperaturverteilungs- Meßsystems 2 zu erfassen, ist die Lichtleitfaser 66 in dem Gehäuse 65 in der Art einer "8" gewickelt, deren Länge mehr als zweimal so groß ist wie der minimale er­ faßbare Abstand, und die Lichtleitfaser 66 wird in dem Gehäuse 65 untergebracht.

Die Lichtleitfaser 66 ist wie eine Acht gewunden und in dem Gehäuse 65 untergebracht, um zu verhindern, daß De­ formationen wie Biegen oder ein seitlicher Druck gegen eine externe Kraft nicht auf die Lichtleitfaser 66 wirkt. Das Winden der Lichtleitfaser 66 wie eine Acht ist wichtig, um ein Verdrehen zu verhindern.

Mit anderen Worten, wenn die Lichtleitfaser geschliffen und gewickelt ist, ist es möglich, die Lichtleitfaser während des Wickelns nicht zu verdrehen. Ohne ein Schleifen wird beim Wickeln der Lichtleitfaser diese jedoch um eine Drehung (360°) für eine Windung ver­ dreht, so daß die Anzahl der Verdrehungen proportional mit der Anzahl der Windungen ansteigt. Andererseits, wenn die Lichtleitfaser wie eine Acht gewunden ist, wird die Lichtleitfaser bei einer halben Drehung in eine Richtung um 180° verdreht, jedoch bei der anderen Hälfte in der entgegengesetzten Richtung um 180° ge­ dreht, wodurch die Verdrehung ausgeglichen ist und die Anzahl von Verdrehungen nicht ansteigt.

Im folgenden wird ein Beispiel beschrieben, wo eine Lichtleitfaser vom QSI-Typ (Quasi-Schnitt-Index) oder eine vom GI-Typ (gradierter Index) mit 200/250 µm als optische Sensorfaser verwendet wird, wobei die Höhe der Acht (die Länge) 140 mm beträgt, die Breite der Acht 70 mm beträgt und der Biegedurchmesser 40 mm beträgt.

Fig. 44 zeigt einen Vergleich des Biegeverlustes, wenn die Faser zu einem Oval gewunden und eine Verdrehung vorhanden ist, und dem Biegeverlust, wenn die Faser wie eine Acht gewunden ist, wobei die Länge der Lichtleit­ faser konstant ist (3 m). Die Anzahl der Windungen er­ höht sich, wenn der Biegedurchmesser kleiner wird, und dann steigen die Verdrehungen und der Verlust an. In diesem besonderen Fall (wo der Biegedurchmesser 40 mm ist), ist der optische Verlust um 0,1 Dezibel reduziert durch Winden der Lichtleitfaser in die Form einer Acht. Daher ist es möglich, die Lichtleitfaserlänge zu ver­ größern und die Anzahl der Sensoren zu erhöhen.

In der vorangegangenen Beschreibung ist die optische Sensorfaser alleine im Gehäuse untergebracht. Unter Be­ rücksichtigung von Wärmeübertragungseigenschaften kann das Gehäuse jedoch auch mit einer Verbindung oder mit Öl gefüllt sein.

Claims (32)

1. Temperatursensor-Anordnung, die über eine Faserop­ tik verteilt ist und eine Temperatur entlang einer Längsrichtung einer optischen Sensorfaser mißt durch Messen einer Temperatur in Abhängigkeit von einer Raman-Streulicht-Intensität, die in einer Lichtleitfaser erzeugt wird, unter Verwendung einer OTDR-Technik, dadurch gekennzeichnet, daß Licht, welches von einer Lichtquelle abgegeben wird, der optischen Sensorfaser über einen Licht­ wellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer eingegeben wird, daß aus dem reflektierten Licht des von der optischen Sensorfaser zurückkehrenden zurückge­ streuten Lichts Licht eines bestimmten Wellenbe­ reiches durch zumindest ein optisches Filter des Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers re­ flektiert oder übertragen wird, um das Licht des bestimmten Wellenlängenbereiches zu trennen, und daß das Signal des Lichts des bestimmten Wellen­ längenbereiches zu einem Detektor eines optischen Meßsystems geführt wird.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lichtwellenlängen-Auftei­ ler/Demultiplexer ein erstes Filter, das Licht mit einer Wellenlänge der Lichtquelle durchläßt, je­ doch Raman-Streulicht reflektiert, ein zweites Filter, das das reflektierte Licht von dem ersten Filter empfängt und zumindest Raman-Streulicht re­ flektiert, ein drittes Filter, das reflektiertes Licht von dem zweiten Filter empfängt und Wellen­ längen von Anti-Stokes-Licht durchläßt, jedoch Wellenlängen von Stokes-Licht reflektiert, und ein viertes Filter hat, das reflektiertes Licht von dem dritten Filter empfängt und Stokes-Licht reflektiert, und daß das durch das dritte Filter übertragene Anti-Stokes-Licht in ein Meßsystem für Anti-Stokes-Licht geleitet wird, wohingegen das durch das vierte Filter geleitete Stokes-Licht in ein Meßsystem für Stokes-Licht geleitet wird.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenlängen- Aufteiler/Demultiplexer ein erstes Filter, das Licht mit einer Wellenlänge der Lichtquelle durch­ läßt, jedoch Raman-Streulicht reflektiert, ein zweites Filter hat, das von dem ersten Filter reflektiertes Licht empfängt und Anti-Stokes-Licht reflektiert hat, und daß das Stokes-Licht, das von dem ersten Filter reflektiert wird, in ein Meß­ system für Stokes-Licht geführt wird, wohingegen das von dem zweiten Filter reflektierte Anti- Stokes-Licht in ein Meßsystem für das Anti-Stokes- Licht geführt wird.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest auf einem optischen Weg, über den das von dem ersten Filter reflek­ tierte Stokes-Licht zu dem Stokes-Licht-Meßsystem geführt wird, ein drittes Filter zum Übertragen des Lichts mit einer Wellenlänge der Lichtquelle, jedoch zum Reflektieren des Stokes-Lichts vorge­ sehen ist, oder auf einem optischen Weg, über den das Anti-Stokes-Licht, das von dem zweiten Filter reflektiert ist, zu dem Anti-Stokes-Licht- Meßsystem geleitet wird, ein viertes Filter vorgesehen ist zum Übertragen des Lichts mit der Wellenlänge der Lichtquelle und zum Reflektieren von Anti-Stokes-Licht.

5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenlängen- Aufteiler/Demultiplexer ein Bandpaßfilter hat zum Trennen von Anti-Stokes-Licht mit einer mittleren Wellenlänge λa und von Stokes-Licht mit einer mittleren Wellenlänge λs aus dem zurückgestreuten Licht, und daß die Charakteristiken des Bandpaß­ filters die folgenden Gleichungen (1)-(3) erfül­ len: wobei
λs1, λs2: die Grenzwellenlängen des Bandpaßbereichs für Stokes-Licht,
λa1, λa2: Grenzwellenlängen des Bandpaßbereichs für Anti-Stokes- Licht,
Δλs: Differenz der mittleren Wellenlänge von Stokes-Licht und der mittleren Wellenlänge von Eingangs­ licht, und
Δλa: Differenz der mittleren Wellen­ länge von Anti-Stokes-Licht und der mittleren Wellenlänge von Eingangs­ licht.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lichtwellenlängen-Auftei­ ler/Demultiplexer einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Verbindungsan­ schluß hat, daß 20% oder mehr der Lichtmenge von Licht mit einer Wellenlänge λo, das an dem ersten Verbindungsanschluß eingegeben wird, zu dem zwei­ ten Verbindungsanschluß geleitet und ausgegeben wird, daß 20% oder mehr der Lichtmenge des Lichts mit einer Wellenlänge λa, das über den zweiten Verbindungsanschluß eingegeben wird, zu dem drit­ ten Verbindungsanschluß geleitet und ausgegeben wird, daß 20% oder mehr der Lichtmenge von Licht mit einer Wellenlänge λs, das über den zweiten Verbindungsanschluß eingegeben wird, zu dem vier­ ten Verbindungsanschluß geleitet und ausgegeben wird, daß auf einem optischen Weg, über den das Licht mit der Wellenlänge λa, das über den zweiten Verbindungsanschluß eingegeben wird, zu dem dritten Verbindungsanschluß ausgegeben wird, ein er­ stes Paar von optischen Filtern (A) vorgesehen ist, die einander gegenüberliegen, daß auf einem optischen Weg, über den das Licht mit der Wellen­ länge λs, das über den zweiten Verbindungsanschluß eingegeben wird, zu dem vierten Verbindungan­ schluß ausgegeben wird, ein zweites Paar von opti­ schen Filtern (B) vorgesehen ist, die einander ge­ genüberstehen, daß für jedes Paar der optischen Filter jeweils ein Winkeleinstellmechanismus der­ art vorgesehen ist, daß jedes Paar von optischen Filtern seinen Winkel zu dem optischen Weg verän­ dern kann, ohne einen relativen Winkel zwischen den Filtern eines Paars von optischen Filtern zu verändern, und daß zumindest ein Paar der opti­ schen Filter mit einem Abstandseinstellmechanismus zum Verändern eines Abstandes zwischen den zwei op­ tischen Filtern ohne Verändern des relativen Winkels zwischen den optischen Filtern vorgesehen ist.

7. Verfahren zum Einstellen des Lichtwellenlängen- Aufteilers/Demultiplexers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung des Abstands­ einstellmechanismus, der zumindest einem Paar der optischen Filter zugeordnet ist, ein Abstand zwi­ schen den zwei optischen Filtern derart einge­ stellt wird, daß von dem Licht mit der Wellenlänge λa, das über den zweiten Verbindungsanschluß ein­ gegeben wird, der Anteil, der an den dritten Ver­ bindungsanschluß ausgegeben wird, erhöht wird, oder, daß von dem Licht mit der Wellenlänge λs, das über den zweiten Verbindungsanschluß eingegeben wird, der Anteil, der an den vierten Verbindungsanschluß ausgegeben wird, erhöht wird.

8. Verfahren zum Erfassen einer verteilt vorliegenden Information von physikalischen Daten, wie einem optischen Verlust, entlang einer Längsrichtung einer optischen Faser, und zwar unter Verwendung der Temperaturverteilungs-Sensoranordnung vom Lichtleitfasertyp nach Anspruch 1, wobei Impuls­ licht mit einem kurzen Zeitintervall in die Licht­ leitfaser eingegeben wird, eine Vielzahl von zu­ rückgestreuten Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen und den gleichen Abtastzeitinterval­ len empfangen wird, wobei das zurückgestreute Licht bei der Impulslichteingabe erzeugt wird, und wobei eine relative Beziehung zwischen Abtastdaten von Signalen mit jeweiligen Wellenlängen berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn bezüglich einer Entfernung auf der optischen Faser, die aus Übertragungsraten jeweiliger Wellenlängen und der gleichen Abtastnummern berechnet wird, ein Unter­ schied besteht zwischen einer Entfernung, die aus Licht mit einer Referenzwellenlänge erhalten wird, und einer Entfernung, die aus Licht mit einer un­ terschiedlichen Wellenlänge erhalten wird, eine Entfernungskomponente, eine Zeitkomponente und/oder eine Abtastnummer derart kompensiert wird/werden, daß eine Signalerzeugungsposition des Lichts mit der unterschiedlichen Wellenlänge etwa gleich einer Signalerzeugungsposition des Lichts mit der Referenzwellenlänge wird, und zwar auf der Basis der Übertragungsraten der jeweiligen Wellen­ längen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Verwendens der Übertragungsraten von bekannten jeweiligen Wellenlängen eine relative Geschwindigkeit der jeweiligen Wellenlängen aus einem Verhältnis von Abtastnummern oder -zeiten erhalten wird, bis ein gestreutes Licht oder re­ flektiertes Licht von einer bekannten Position der Lichtleitfaser zurückkehrt, die die Information erfaßt.

10. Verfahren zum Erfassen einer verteilt vorliegenden Information von physikalischen Daten, wie einem optischen Verlust, entlang einer Längsrichtung einer optischen Faser unter Verwendung einer Temperaturverteilungs-Sensoranordnung vom Licht­ leitfasertyp nach Anspruch 1, mit Eingeben eines Impulslichts eines kurzen Zeitintervalls in die Lichtleitfaser, Empfangen einer Vielzahl von zu­ rückgestreuten Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen mit den gleichen Abtastzeitinterval­ len, wobei das zurückgestreute Licht bei der Impulslichteingabe erzeugt wird, und Berechnen einer relativen Beziehung zwischen Abtastdaten von Signalen mit jeweiligen Wellenlängen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß, wenn bezüglich einer Entfernung in der Lichtleitfaser, die aus den Übertragungsraten von jeweiligen Wellenlängen und den gleichen Abtastnummern berechnet wird, ein Unterschied be­ steht zwischen einer Entfernung, die aus Licht mit einer Referenzwellenlänge erhalten wird, und einer Entfernung, die aus Licht mit einer unterschiedli­ chen Wellenlänge erhalten wird, sobald der Entfer­ nungsunterschied einen vorbestimmten Wert über­ schreitet, der innerhalb eines Entfernungsinter­ valls liegt, welches aus der relativen Geschwin­ digkeit oder Übertragungsrate des Lichts mit der Referenzwellenlänge und den Abtastzeitintervallen berechnet wird, die Abtastnummer um 1 verschoben wird, wobei das Verschieben der Abtastnummer je­ desmal durchgeführt wird, wenn der Entfernungsun­ terschied den vorbestimmten Wert überschreitet, und daß die Informationsverteilung erhalten wird aus einer relativen Beziehung zwischen Signalen von Licht mit der Referenzwellenlänge und Signalen von Licht mit der unterschiedlichen Wellenlänge.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Informationsverteilung der Lichtleitfaser erhalten wird durch Gewinnen einer Information bei einer Position, die erhalten wird durch eine gewisse Abtastzeit von Licht mit der Referenzwellenlänge, und zwar unter Verwendung einer relativen Beziehung zwischen einem Wert eines Lichtsignals mit der Referenzwellenlänge bei dem gewissen Abtastzeitpunkt, und einem Wert, der dem gewissen Abtastzeitpunkt entspricht, wobei die Beziehung erhalten wird aus einer Interpolation von zwei Werten von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen zu zwei Abtastzeitpunkten vor und nach dem gewissen Abtastzeitpunkt.

12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Informationsverteilung der Lichtleitfaser erhalten wird durch Gewinnen einer Information bei einer Position, die erhalten wird bei einer gewissen Position von Licht mit der Re­ ferenzwellenlänge, und zwar unter Verwendung einer relativen Beziehung zwischen einem Wert eines Si­ gnals bei der gewissen Zeit oder Position des Lichts mit der Referenzwellenlänge und einem Wert, der der gewissen Zeit oder Position entspricht, die erhalten wird aus einer Interpolation von zwei Werten von Licht mit den unterschiedlichen Wellen­ längen zu zwei Zeiten oder Positionen vor und nach der gewissen Zeit oder Position.

13. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die optische Sensorfaser ein Ende hat, welches antireflexionsbehandelt ist.

14. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die optische Sensorfaser ein Ende hat, welches in der Form einer Sphäre geformt ist, daß die Anordnung weiterhin ein Gehäuse aus einem Kunststoffrohr oder einem Metallrohr hat und daß die optische Sensorfaser abgedichtet in dem Gehäu­ se untergebracht ist.

15. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Sensorfaser ein Ende hat, welches ein Material mit einem hohen Brechungsindex hat.

16. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Ende der optischen Sensorfaser ein GaAs-Sensor vorgesehen ist, der GaAs und einen reflektierenden Film enthält.

17. Sensoranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest ein Lichtwellenlängen-Auf­ teiler/Demultiplexer an der optischen Sensorfaser derart vorgesehen ist, daß zumindest ein optischer Faserzweig gebildet wird und daß an einem Ende des optischen Faserzweiges ein GaAs-Sensor vorgesehen ist, der GaAs und einen reflektierenden Film ent­ hält.

18. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Steuersignal-Meßeinrichtung in einer bestimmten Position oder einem bestimmten Bereich der optischen Sensorfaser vorgesehen ist, daß eine Empfindlichkeitserfassungs- Steuereinrichtung zum Steuern des Detektors in einen Zustand hoher Empfindlichkeit vorgesehen ist unter Verwendung eines Werts eines Signals, das proportional ist zu der Intensität eines in der Steuersignal-Meßeinrichtung erzeugten reflektierten Lichts, daß in der Steuersignal-Meßeinrichtung ein Temperatursensor vom Punkt-Typ vorgesehen ist, daß die Empfindlichkeitserfassungs- Steuereinrichtung eine Berechnung auf einen Wert eines Signals ausführt, das proportional zu der reflektierten Lichtintensität ist, und zwar unter Verwendung einer erfaßten Temperatur des Tempera­ tursensors vom Punkt-Typ, und daß eine Erfassungs­ empfindlichkeit des Detektors derart eingestellt wird, daß ein Wert, der aus der Berechnung resul­ tiert, ein vorbestimmter Zielwert wird.

19. Sensoranordnung nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erfassungsempfindlichkeits- Steuereinrichtung eine Verstärkungssteuerung des Detektors durchfürt, und zwar unter Verwendung eines gemittelten Werts der Intensität des in der Steuersignal-Meßeinrichtung erzeugten reflektier­ ten Lichts, daß die Erfassungsempfindlichkeits- Steuereinrichtung den gemittelten Wert der Inten­ sität des reflektierten Lichts unter Verwendung einer Temperatur verarbeitet, die von dem Tempera­ tursensor vom Punkt-Typ erfaßt wird, und daß die Erfassungsempfindlichkeit des Detektors durch die Erfassungsempfindlichkeits-Steuereinrichtung der­ art eingestellt wird, daß der aus der Verarbeitung resultierende Wert der vorbestimmte Zielwert wird.

20. Sensoranordnung nach Anspruch 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erfassungsempfindlichkeits- Steuereinrichtung eine Verstärkungssteuerung des Detektors unter Verwendung eines gemittelten Werts der Intensität von Stokes-Licht und von Anti- Stokes-Licht durchführt, das in der Steuersignal- Meßeinrichtung erzeugt wird.

21. Sensoranordnung nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erfassungsempfindlichkeits- Steuereinrichtung eine Verstärkungssteuerung des Detektors unter Verwendung einer Intensität des reflektierten Lichts durchführt, welches tatsäch­ lich in der Steuersignal-Meßeinrichtung erzeugt wird, daß die Erfassungsempfindlichkeits- Steuereinrichtung den Wert der Intensität des re­ flektierten Lichts unter Verwendung einer Tempera­ tur verarbeitet, die von dem Temperatursensor vom Punkt-Typ erfaßt wird, und daß die Erfassungsempfindlichkeit des Detektors durch die Erfassungsempfindlichkeits-Steuereinrichtung der­ art eingestellt wird, daß der aus der Verarbeitung resultierende Wert der vorbestimmte Zielwert wird.

22. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine Avalanche-Fotodiode enthält und durch eine vor­ spannende Einstellung desselben gesteuert wird.

23. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das in den Detektor geführte zurück­ gestreute Licht zwei Komponenten von Raman- Streulicht enthält, nämlich Anti-Stokes-Licht und Stokes-Licht, daß eine Temperatur der optischen Sensorfaser erhalten wird aus der Lichtintensität dieser Lichtarten, daß eine Temperatur und eine Position zur gleichen Zeit gemessen werden durch Gewinnen einer Erzeugungsposition von zurückge­ streutem Licht aus einer Zeitdifferenz einer Ein­ gabezeit des Lichtimpulses und einer Ankunftzeit von reflektiertem Licht an der Meßeinrichtung, daß eine Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung zum Messen der Temperaturverteilung der optischen Faser vorgesehen ist, daß die Berechnungsschaltung eine Differenz des Übertragungsverlustes von Anti- Stokes-Licht und Stokes-Licht oder von Dämpfungs­ koeffizienten des Anti-Stokes-Lichts und des Stokes-Lichts unter Verwendung einer Intensität des gemessenen Raman-Streulichts und eine Beziehungs­ gleichung der Erzeugungswahrscheinlichkeit von Raman-Streulicht gewinnt, und daß die Temperatur­ verteilung erhalten wird durch die Berechnungs­ schaltung durch Berechnung unter Verwendung der Differenz des Übertragungsverlustes oder der Dämpfungs­ koeffizienten.

24. Sensoranordnung nach Anspruch 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Berechnung aufweist: das Entwickeln einer Beziehungsgleichung, die wirksam ist zwischen dem Übertragungsverlust der optischen Sensorfaser und den gemessenen Werten der zwei Komponenten von zurückgestreutem Raman-Licht, das Eliminieren eines Einflusses des Lichtleitfaser- Übertragungsverlustes auf die Temperaturmessung und das Gewinnen des Unterschieds zwischen den Übertragungsverlusten der zwei Komponenten von Raman-Streulicht oder der Dämpfungskoeffizienten für das Anti-Stokes-Licht und das Stokes-Licht unter Verwendung der Beziehungsgleichung, aus der die Ausdrücke, die die Temperatur betreffen, eli­ miniert sind.

25. Sensoranordnung, nach Anspruch 24, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Unterschied des Übertragungsver­ lustes oder der Dämpfungskoeffizienten erhalten wird durch Auswählen von drei beliebigen Beziehungsgleichungen aus den Gleichungen, aus denen die Ausdrücke, die die Temperatur betreffen, eliminiert sind, und durch Lösen der drei Glei­ chungen erhalten wird, um einen Übertragungsver­ lust von Rayleigh-Streulicht (αr), den Übertra­ gungsverlust von Anti-Stokes-Licht (αa) und den Übertragungsverlust von Stokes-Licht (αs) zu ge­ winnen.

26. Sensoranordnung nach Anspruch 25, dadurch gekenn­ zeichnet, daß, wenn die drei Unbekannten (die Übertragungsverluste αr, αa und αs) herausgezogen sind, zwei Sätze der drei Gleichungen unter den Beziehungsgleichungen herausgenommen werden, aus denen die Ausdrücke, die die Temperatur betreffen, entfernt worden sind, und dann ein Durchschnitt der jeweiligen Übertragungsverluste verwendet wird als die endgültigen Übertragungsverluste (αr, αa und αs).

27. Sensoranordnung nach Anspruch 26, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder der Übertragungsverluste (αr, αa und αs) durch eine Summe eines ersten Ausdrucks eines angenommenen Werts und eines zweiten Aus­ drucks einer Differenz zwischen dem angenommenen Wert und dem wahren Wert ausgedrückt wird, daß der Übertragungsverlust, der erhalten wird aus einer Beziehungsgleichung für jeden Abtastpunkt, der wirksam ist zwischen dem Übertragungsverlust der optischen Sensorfaser und den gemessenen Werten der zwei Komponenten von zurückgestreutem Raman- Licht, dem angenommenen Wert (erster Ausdruck) zu­ gewiesen wird und der zweite Ausdruck erhalten wird durch einen ähnlichen Ansatz, und daß diese Berechnungen wiederholt werden, um den Übertra­ gungsverlust mit hoher Genauigkeit zu erhalten.

28. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Reflexionsplatte am freien Ende der optischen Sensorfaser vorgesehen ist zur To­ talreflexion von Licht, das von der Meßeinrichtung eingegeben ist, daß in der Meßeinrichtung eine op­ tische Meßeinheit vorgesehen ist zum Messen einer der zwei Komponenten des zurückgestreuten Lichts der optischen Sensorfaser und eine Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung vorge­ sehen ist zum Gewinnen einer Temperaturverteilung entlang der optischen Sensorfaser durch Verarbei­ ten einer Streulichtintensität von Licht, das von der Reflexionsplatte zurückreflektiert ist, und einer Streulichtintensität von Licht, das aus der Lichtquelle ausgegeben wird und durch die Reflexionsplatte übertragen wird, wobei das zurückgestreute Licht von der optischen Meßeinheit gemessen wird.

29. Sensoranordnung nach Anspruch 28, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperaturverteilungs- Berechnungsschaltung an vorbestimmten Positionen der optischen Sensorfaser eine Summe der Streu­ lichtintensität (a) des übertragenen Lichts des von der Lichtquelle ausgegebenen Lichtimpulses und der Streulichtintensität (b) des von der Reflexionsplatte reflektierten Lichts berechnet und die Streulichtveränderungen aufgrund der Übertragungs­ verluste der optischen Faser eliminiert.

30. Sensoranordnung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß das von der optischen Meßeinheit gemessene zurückgestreute Licht Anti- Stokes-Licht ist.

31. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ohne Schleifen und/oder Schmelz­ spleißen der bereits installierten optischen Sen­ sorfaser ein optisches Fasersegment mit einer Länge, die mehr als zweimal so lang ist wie ein minimal erfaßbarer Abstand, um eine Temperatur eines Objekts einer Größe zu erfassen, die kleiner ist als der minimal erfaßbare Abstand der Sensor­ anordnung, aus der optischen Sensorfaser herausge­ zogen wird, und daß das herausgezogene Faserseg­ ment in der Form einer "8" ohne Verdrehung gewun­ den ist und in einem ovalen Gehäuse untergebracht ist, um einen Punkt-Sensor vom Lichtleitfasertyp zu bilden.

32. Sensoranordnung nach Anspruch 31, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse ein metallisches Gehäuse ist und daß das Gehäuse mit einer Verbindung oder einem Öl gefüllt ist.