JP2006023260A

JP2006023260A - 光ファイバの温度分布測定方法および光ファイバの温度分布測定装置

Info

Publication number: JP2006023260A
Application number: JP2004203881A
Authority: JP
Inventors: Masaatsu Nakanishi; 正温中西
Original assignee: J Power Systems Corp
Current assignee: J Power Systems Corp
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2006-01-26

Abstract

【課題】作業者のスキルに関係なく短時間で求める伝播損失差が得られる光ファイバの温度分布測定方法および光ファイバの温度分布測定装置を提供する。
【解決手段】被測定光ファイバにパルス光を入射し、前記パルス光の入射タイミングと前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光の検出タイミングとの時間差から前記被測定光ファイバの測定点を算出すると共に、前記後方散乱光に含まれるラマン散乱光のうちストークス光と反ストークス光との検出強度比から前記被測定光ファイバの温度を算出する光ファイバ温度分布測定方法において、温度分布が一様な光ファイバにおけるストークス光と反ストークス光との波形から、ストークス光と反ストークス光との伝播損失差を、一次近似することにより得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバの温度分布を光学的に遠隔測定するための光ファイバの温度分布測定方法および光ファイバの温度分布測定装置に関する。

光ファイバの温度分布を光学的に遠隔測定するための光ファイバの温度分布測定方法として、ＯＴＤＲ（ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）による距離測定の原理と、ラマン散乱光の検出による温度測定の原理とを組み合わせた装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図６は、特許文献１に記載された光ファイバの温度分布の測定の原理を示す説明図であり、（ａ）は、温度分布の測定原理図、（ｂ）は、後方散乱光の波長分布図である。温度分布の測定は、被測定光ファイバ１と、入射パルス光３を通過し、散乱点６において生じた後方散乱光４を光路変換して図示しない波長分離器に出力光５として出力するビームスプリッタ２と、波長分離器から出力される信号を検出する図示しない信号検出部、信号処理部等の構成により行われる。

次に、光ファイバの温度分布の測定方法を説明する。まず、被測定光ファイバ１に図示しない光源により発生させた波長λ_０の入射パルス光３を入射すると、ある散乱点６において伝播の過程で後方散乱光４が現れ、入射端側に戻ってくる。ここで、ある散乱点６までの距離をＬ、入射パルス光３の入射時点から後方散乱光４の検出時点までの時間をｔ、被測定光ファイバ１の屈折率をｎ、真空中の光速をＣ_０、被測定光ファイバ１中の光速をＣとすると、
Ｃ＝Ｃ_０／ｎ（１）
Ｌ＝Ｃ・ｔ／２（２）
となる。したがって、（２）式により散乱点６の位置が定量的に求まる。

一方、後方散乱光４には、図６（ｂ）に示すように、レーリー光２０とストークス光２１、反ストークス光２２が含まれる。入射パルス光３の波長をλ_０とするとレーリー光２０の波長はλ_０となり、波長シフト量を△λとすると、ストークス光２１の波長λ_Ｓと反ストークス光２２の波長λ_ＡＳは、
λ_Ｓ=λ_０+△λ （３）
λ_ＡＳ=λ_０−△λ （４）
となる。

そして、波長λ_Ｓでのストークス光強度をＩ_Ｓ、波長λ_ＡＳでの反ストークス光強度をＩ_ＡＳで表わすと、ストークス光強度Ｉ_Ｓと反ストークス光強度Ｉ_ＡＳの比は、被測定光ファイバ１中の散乱点６の絶対温度Ｔに依存し、
Ｉ_ＡＳ／Ｉ_Ｓ＝ｅｘｐ（−ｈ・Ｃ・ν／ｋＴ）（５）
に示す関係となる。ここで、ｈはプランク定数（Ｊ・Ｓ）、νはラマンシフト量（ｍ・ｌ）、ｋはボルツマン定数（Ｊ／Ｋ）である。したがって、散乱点の温度が定量的に求められる。

このようにして、従来の光ファイバの温度分布の測定方法によれば、散乱点の位置および温度を求めることができる。
特許第３０６３０６３号公報（[０００３]〜[０００４]，図７）

しかし、実際の測定においては、被測定光ファイバは、波長により伝播損失が異なる波長分散特性を有しているため、特許文献１に記載された測定方法の原理では、実測値と計算値との間に誤差が生じる。このため、ストークス光強度Ｉ_Ｓと反ストークス光強度Ｉ_ＡＳの比をストークス光と反ストークス光の『伝播損失差』というパラメータで補正を行う必要がある。

具体的には、各サンプリング点の強度比を対数変換し、ｄＢ表示に直したものをＩratioとすると、
Ｉratio（ｉ）＝Ｉ_ＡＳ（ｉ）−Ｉ_ｓ（ｉ）＋［伝播損失差］（６）
と表わされ、基準部の被測定光ファイバの平均強度比をＩkijun、基準温度計の指示値をＴkijunとすると、サンプリング点iの温度Ｔ（ｉ）は、

と表わされる。ここで、

ｈ：プランク定数、Ｃ_０：真空中の光速、Ｋ：ボルツマン定数、Ｎｒｅｆ：光ファイバの屈折率、ν：シフト波数、である。
なお、基準部とは、被測定光ファイバの測定対象部の近傍で、既に温度が判っている部分である。

そこで、上記の伝播損失差を求める手法として、従来から出願人が考案し採用しているカットアンドトライがあり、図７は、そのカットアンドトライによる伝播損失差を求めるフローチャートであり、図８は、設定した伝播損失差が大きすぎる場合の温度波形を示し、図９は、設定した伝播損失差が小さすぎる場合の温度波形を示し、図１０は、設定した伝播損失差が適切な場合の温度波形を示す。

まず、伝播損失差を任意に設定し（Ｓ３１）、温度分布が一様であるような被測定光ファイバを用いて温度データを取得する（Ｓ３２）。次に、得られた温度データを温度計算式（７）式に代入する（Ｓ３３）。得られた温度データの温度波形が図８に示すように右上がりならば（Ｓ３４）、伝播損失差を小さくなるように設定し直す（Ｓ３６）。また、得られた温度データの温度波形が図９に示すように右下がりならば（Ｓ３５）、伝播損失差を大きくなるように設定し直す（Ｓ３７）。設定し直した伝播損失差により上記の操作を繰り返し行い、温度波形が図１０に示すように水平となったときに、最適な伝播損失差であるとして測定を終了する（Ｓ３８）。

ここで、図７に示すステップを必要とする従来の伝播損失差の決定方法において、温度波形の傾きの傾向を見るために最低５回の試行を必要とする場合を考える。伝播損失差を決定するためには、１回の温度データ取得に要する時間が２分間かかり、設定入力作業に１分間要すると仮定すると、（２分＋１分）＝３分間必要であるから、カットアンドトライを５回行えば、３分×５＝１５分要することになる。

このため、この従来のカットアンドトライによる伝播損失差の決定方法によれば、温度波形の傾きの傾向を見るのに、例えば、５つの温度データを必要とするため、伝播損失差の決定に時間が非常にかかるとともに、作業者のスキルにより得られる伝播損失差にばらつきが生じる等の問題点があった。

従って、本発明の目的は、作業者のスキルに関係なく短時間で求める伝播損失差が得られる光ファイバの温度分布測定方法および光ファイバの温度分布測定装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、被測定光ファイバにパルス光を入射し、前記パルス光の入射タイミングと前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光の検出タイミングとの時間差から前記被測定光ファイバの測定点を算出すると共に、前記後方散乱光に含まれるラマン散乱光のうちストークス光と反ストークス光との検出強度比から前記被測定光ファイバの温度を算出する光ファイバの温度分布測定方法において、温度分布が一様な被測定光ファイバにおける前記ストークス光と前記反ストークス光との波形からそれぞれの一次近似式を求め、前記それぞれの一次近似式の傾きの差から伝播損失差求めることにより温度の補正を行うことを特徴とする光ファイバの温度分布測定方法を提供する。

本発明は、上記目的を達成するため、温度分布の測定対象である被測定光ファイバと、前記被測定光ファイバにパルス光を入射する光源部と、前記パルス光により散乱点において生じた後方散乱光を分離するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより得られた後方散乱光のうちストークス光および反ストークス光とを分離する波長分離部と、前記分離された前記ストークス光および前記反ストークス光の波形からそれぞれの波形の１次近似式を求め、前記それぞれの１次近似式の傾きの差から伝播損失差を求める信号処理部とを備えることを特徴とする光ファイバの温度分布測定装置を提供する。

本発明によれば、ストークス光と反ストークス光の波形からそれぞれの一次近似式を求め、それぞれの一次近似式の傾きの差から伝播損失差求めるので、作業者のスキルに関係なく求める伝播損失差が得られ、短時間で温度分布を測定することができる。
また、光ファイバの散乱点の位置および温度を確実に標定することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバの温度分布の測定方法を示す説明図であり、（ａ）は、温度分布の測定装置図、（ｂ）は、後方散乱光の波長分布図である。この温度分布の測定装置は、被測定光ファイバ１と、入射パルス光３を被測定光ファイバ１へ入射するとともに、被測定光ファイバ１の散乱点６において生じた後方散乱光４を光路変換して波長分離部７に出力光５として出力するビームスプリッタ２と、ビームスプリッタ２から出力された光をストークス光２１と反ストークス光２２に分離する波長分離部７と、ストークス光２１と反ストークス光２２に分離された光を検出する信号検出部８と、信号検出部８により検出した信号からストークス光２１および反ストークス光の２２波形からそれぞれの波形の１次近似式を求め、その１次近似式の傾きの差から伝播損失差を求めて、温度、位置を計算する信号処理部９と、計算結果等を表示する表示部１０とを備える。

次に、光ファイバの温度分布の測定方法を説明する。まず、被測定光ファイバ１に図示しない光源により発生させた波長λ_０の入射パルス光３を入射すると、ある散乱点６において伝播の過程で生じた後方散乱光４が現れ、入射端側に戻ってくる。ビームスプリッタ２により後方散乱光４を光路変換し、波長分離部７に出力し、信号検出部８および信号処理部９により散乱点６までの距離Ｌを算出する。ここで、ある散乱点６までの距離Ｌは、入射パルス光３の入射時点から後方散乱光４の検出時点までの時間をｔ、被測定光ファイバ１の屈折率をｎ、真空中の光速をＣ_０、被測定光ファイバ１中の光速をＣとすると、
Ｃ＝Ｃ_０／ｎ（９）
Ｌ＝Ｃ・ｔ／２（１０）
となり、得られたデータを（９）式および（１０）式に代入することにより散乱点６の位置が定量的に求まる。

一方、後方散乱光４は、ビームスプリッタ２により光路変換され、波長分離部７に出力される。出力された後方散乱光４は、信号検出部８により、ストークス光２１および反ストークス光２２が検出される。入射パルス光３の波長をλ_０とするとレーリー光２０の波長はλ_０となり、波長シフト量を△λとすると、ストークス光２１の波長λ_Ｓと反ストークス光２２の波長λ_ＡＳとは、
λ_Ｓ=λ_０+△λ （１１）
λ_ＡＳ=λ_０−△λ （１２）
となる。

そして、信号処理部９により得られたデータを下記の（１３）式に代入することにより散乱点の温度を計算により求める。すなわち、波長λ_Ｓでのストークス光強度をＩ_Ｓ、波長λ_ＡＳでの反ストークス光強度をＩ_ＡＳで表わすと、ストークス光強度Ｉ_Ｓと反ストークス光強度Ｉ_ＡＳの比は、被測定光ファイバ１中の散乱点６の絶対温度Ｔに依存し、
Ｉ_ＡＳ／Ｉ_Ｓ＝ｅｘｐ（−ｈ・Ｃ・ν／ｋＴ）（１３）
に示す関係となる。ここで、ｈはプランク定数（Ｊ・Ｓ）、νはラマンシフト量（ｍ・ｌ）、ｋはボルツマン定数（Ｊ／Ｋ）である。したがって、散乱点の温度が定量的に求められる。

ところで、上記の計算温度と測定温度の実測値とは、必ずしも一致しないので、これらの間の差を最小とするために、補正パラメータとしての伝播損失差を求める必要がある。伝播損失差を求めるには、以下のように行う。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る伝播損失差を求めるフローチャートである。まず、入射パルス光３を被測定光ファイバ１に入射すると、上述したように、ある散乱点６において後方散乱光４が出現し、この後方散乱光４が入射端側に戻ってくる。この後方散乱光４をビームスプリッタ２により光路変換し、波長分離部７に出力する。波長分離部７に入力された後方散乱光４は、ストークス光２１および反ストークス光２２に分離されてそれぞれ信号検出部８に出力される。信号検出部８によりストークス光２１からなるストークス波形の所定のデータを得る（Ｓ１２）。同様に、反ストークス光２２からなる反（アンチ）ストークス波形の所定のデータを得る（Ｓ１３）。次に、以下に述べる統計計算により伝播損失差を求め（Ｓ１４）、得られた値を温度計算式（７）式に代入することにより（Ｓ１５）、伝播損失差を考慮した温度が求められる（Ｓ１６）。

以下、統計計算について説明する。統計計算に適用する計算手法として、線型最小二乗法があげられる。線型最小二乗法によりストークス光、反ストークス光それぞれの波形を１次多項式
ｙ＝ｐ_１ｘ＋ｐ_２（１４）
の形で近似し、それらの傾きの差を伝播損失差として適用する。

この方程式を未知係数ｐ_１とｐ_２に対して解くには、２つの未知数を含むｎ個の連立線形方程式として、Ｓを表わす。

ここで、（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）は、それぞれ温度波形の各サンプリング点における距離および強度に相当する。残差の二乗和が最小となるように係数ｐ_１，ｐ_２を求めるために、各パラメータに関して、Ｓを微分し、結果をゼロと設定する。

真のパラメータの推定値をｂとし、ｐ_１とｐ２に対して、ｂ_１とｂ_２を代入すると、上式は次のようになる。

ここで、和の計算は、ｉ＝１からｎに渡り実行される。正規方程式は、次のように定義される。

これをｂ_１に関して、解くと、

と表わされる。ｂ_２値は、ｂ_１値を使って次のように表せるから、

となる。

上記の（２３）式を反ストークス光２２およびストークス光２１により得られた値に適用し、それぞれの傾きｂ_１を求め、それらの差を求めることにより伝播損失差を決定する。

温度波形データの近端部および遠端部は、誤差が大きい場合があることおよび温度波形の歪が大きいこと等を考慮して、伝播損失差の計算においては、温度波形の中央部分のデータを使用する。例えば、温度波形の全長の１０％〜９０％の範囲を伝播損失差の計算に適用する。

伝播損失差を求めるには、上述のように、各数式を解く必要があるが、この解析法のソフトウエアを光ファイバの温度分布測定装置のソフトウエアに組み込んでおく。

図３は、伝播損失差算出画面を示す。この伝播損失差算出画面４２は、伝播損失差算出表示部４２Ａと、日付選択ボタン４２Ｂと、時刻選択ボタン４２Ｃと、検索開始ボタン４２Ｄと、計算開始ボタン４２Ｅと、結果適用ボタン４２Ｆと、閉じるキー４２Ｇと、閉じるボタン４２Ｋと計算結果表示部４４とを有している。日付選択ボタン４２Ｂと時刻選択ボタン４２Ｃとは、下方向移動ボタン４２Ｊをそれぞれ有している。

図４は、光ファイバの温度分布測定装置により得られたストークス波形および反ストークス波形を示し、（ａ）は、ストークス波形、（ｂ）は、反ストークス波形を示す図である。
次に、伝播損失差を計算する手順について説明する。まず、オペレータは、必要な操作を行い、被測定光ファイバ１に入射パルス光３を入射させ、図４に示すストークス波形と反ストークス波形のデータを取得する。次に、伝播損失差算出画面４２において取得したストークス波形と反ストークス波形の時刻を選択し、計算ボタン４２Ｅをクリックして、光ファイバ温度分布測定装置の図示しないＣＰＵに伝播損失差の計算を行わせる。計算結果は、伝播損失差算出画面４２上の所定箇所に伝播損失差４４として表示させる。次に、オペレータが結果適用ボタン４２Ｆをクリックすると、図示しないＣＰＵにより表示された結果が伝播損失差として適用される。

ここで、従来の伝播損失差の決定方法によれば、前述したように、カットアンドトライを５回行えば、３分×５＝１５分要することになる。

これに対して、本実施の形態では、１回の温度データ取得に要する時間が２分間かかり、設定入力作業に１分間要すると仮定すると、温度データを取得するにはストークス波形、反ストークス波形が必要であるため、１回の温度データを取得のための測定により被測定光ファイバの全長に渡りストークス波形、反ストークス波形が得られる。これにより伝播損失差決定に必要な時間は２＋１＝３分間で済むことになる。

（実施例１の効果）
第１の実施例によれば、光ファイバの温度分布測定装置のソフトウエアに組み込んでおくため、容易に計算結果を得ることができる。

また、温度波形の傾きの傾向を見るために、５回の試行を必要とする場合には、伝播損失差決定に必要な時間が５分の１の時間に短縮することができた。

また、作業者のスキル差による決定値にバラツキがなく、伝播損失差を決定したデータの信頼性が高まり、データ管理が容易になる。

図５は、被測定光ファイバの全体の温度が部分的に一様に一定、かつ、既知の区間を示す温度波形である。被測定光ファイバ１の全長にわたって温度が一様でない場合に、本発明に係る伝播損失差を決定する方法を説明する。この場合、被測定光ファイバ１の温度が一様に一定、かつ、既知の区間ａを設けておく。これにより、長期にわたる計測を行う場合、被測定光ファイバ１の伝播損失差が変化する場合であっても、被測定光ファイバ１の温度が一様に一定、かつ、既知の区間ａの値を用いることにより伝播損失差を設定し直すことができる。

（他の実施例）
なお、伝播損失差の計算を行う機能は、光ファイバの温度分布測定装置のソフトウエア画面に組み込む以外にも、光ファイバの温度分布測定装置の本体装置に組み込むことが考えられる。この場合は、本体装置のパネル面の操作、あるいは外部に接続した制御コンピュータからのコマンドにより、伝播損失差の計算を実行させることが好ましい。

本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバの温度分布測定方法を示す説明図であり、（ａ）は、温度分布の測定装置図、（ｂ）は、後方散乱光の波長分布図である。本発明の第１の実施の形態に係る伝播損失差を求めるフローチャートである。本発明の実施例１に係る伝播損失差の算出結果を示す図である。本発明の実施例１に係る光ファイバの温度分布測定装置により得られたストークス波形および反ストークス波形を示し、（ａ）は、ストークス波形、（ｂ）は、反ストークス波形を示す図である。本発明の実施例２に係る被測定光ファイバの全体の温度が部分的に一様に一定、かつ、既知の区間を示す温度波形である。従来の光ファイバの温度分布の測定の原理を示す説明図であり、（ａ）は、温度分布の測定原理図、（ｂ）は、後方散乱光の波長分布図である。従来の伝播損失差を求めるフローチャートである。設定した伝播損失差が大きすぎる場合の温度波形を示す図である。設定した伝播損失差が小さすぎる場合の温度波形を示す図である。設定した伝播損失差が適切な場合の温度波形を示す図である。

符号の説明

１被測定光ファイバ
２ビームスプリッタ
３入射パルス光
４後方散乱光
５出力光
６散乱点
７波長分離部
８信号検出部
９信号処理部
１０表示部
２０レーリー光
２１ストークス光
２２反ストークス光
４２伝播損失差算出画面
４４伝播損失差

Claims

被測定光ファイバにパルス光を入射し、前記パルス光の入射タイミングと前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光の検出タイミングとの時間差から前記被測定光ファイバの測定点を算出すると共に、前記後方散乱光に含まれるラマン散乱光のうちストークス光と反ストークス光との検出強度比から前記被測定光ファイバの温度を算出する光ファイバの温度分布測定方法において、
温度分布が一様な被測定光ファイバにおける前記ストークス光と前記反ストークス光との波形からそれぞれの一次近似式を求め、前記それぞれの一次近似式の傾きの差から伝播損失差を求めることにより温度の補正を行うことを特徴とする光ファイバの温度分布測定方法。
前記被測定光ファイバの全長のうち、中央部分のデータを用いて前記伝播損失差を求めることを特徴とする請求項１記載の光ファイバの温度分布測定方法。
前記一次近似式は、最小２乗法により前記伝播損失差を求めることを特徴とする請求項１記載の光ファイバの温度分布測定方法。
温度が一様であることが明らかな２地点以上の地点または２以上の区間の前記ストークス光と前記反ストークス光との波形から得られたデータを用いて前記伝播損失差を求めることを特徴とする請求項１記載の光ファイバの温度分布測定方法。
温度分布の測定対象である被測定光ファイバと、前記被測定光ファイバにパルス光を入射する光源部と、前記パルス光により散乱点において生じた後方散乱光を分離するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより得られた後方散乱光のうちストークス光および反ストークス光とを分離する波長分離部と、前記分離された前記ストークス光および前記反ストークス光の波形からそれぞれの波形の１次近似式を求め、それぞれの１次近似式の傾きの差から伝播損失差を求める信号処理部とを備えることを特徴とする光ファイバの温度分布測定装置。