JP2011038871A - 温度分布測定装置 - Google Patents

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Makoto Komiyama
誠 小宮山
Kodai Murayama
広大 村山
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Abstract

【課題】温度測定誤差を低減させること。
【解決手段】 ファイバに出射されるパルス光により前記ファイバ内で生じる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およびアンチストークス光を検出して前記ファイバ内の温度を測定する温度分布測定装置において、前記ファイバに第1のパルス光を出射する第1の光源と、前記第1のパルス光によるストークス光またはアンチストークス光の光速と前記ファイバ内のアンチストークス光とストークス光の光速とが同じまたは相互近似する第2のパルス光を出射する第2の光源を備えることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、光ファイバ内で生じるラマン散乱光から光ファイバ上の各点の温度を測定する温度分布測定装置に関し、特に温度測定誤差の低減に関する。
従来、光ファイバを用いた技術として、OTDR(Optical Time Domain Reflectometry )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組み合わせた装置が知られている。具体的には、被測定光ファイバにパルス光が入射すると、伝播の過程で後方散乱光が現れ、入射端に戻ってくる。
ここで、ある散乱点までの距離をL、パルスの入射時点から後方散乱光の検出時点までの時間をt、被測定光ファイバの屈折率をn、被測定光ファイバ中の光速をCとすると、以下の式(1)のようになり、散乱点の位置が定量的に求まる。
L=C・t/2n・・・・・(1)
後方散乱光にはレーリ光とストークス光、アンチストークス光が含まれ、入射パルス光の波長をλo とするとレーリ光の波長はλo となり、ストークス光の波長λs とアンチストークス光の波長λasは、
1/λs =1/λo +ν・・・・・(2)
1/λas=1/λo −ν・・・・・(3)
となる。
図3は従来の後方散乱光の状態の説明図であり、図3において、入射パルス光の波長λo、レーリ光の波長λo、ストークス光の波長λs、アンチストークス光の波長λasを説明している。
一方、ストークス光強度Is とアンチストークス光強度Iasの比は、被測定光ファイバ中の散乱点の絶対温度Tに依存し、Ias/Is がexp(−h・C・ν/kT)に比例する関係となる。これにより、散乱点の温度が定量的に求められる。ここで、hはプランク定数(J・S)、νはラマンシフト量(m-1 )、kはボルツマン定数(J/K)である。
そして、被測定光ファイバ中の各散乱点からは絶対温度Tに依存したストークス光及びアンチストークス光が発生し、ストークス光強度Is 及びアンチストークス光強度Iasは温度分布に応じた時間変化を示し、時間は各散乱点の距離に対応したものになっている。ストークス光強度Is 及びアンチストークス光強度Iasをサンプリングし、各サンプリング点で求めた温度から被測定光ファイバ中の温度分布が得られることになる。
図4は、従来の温度分布測定装置の構成図である。図4において、従来の温度分布測定装置は主に、光を出射するレーザダイオードなどの光源1と波長分波手段2と、ファイバ3と、光検出手段4a、4bと、データ変換手段5a、5bと、タイミング発生手段6と、演算処理手段7とから構成される。
具体的には、波長分波手段2は、ファイバ3からの後方散乱光に含まれるラマン散乱光(ストークス光及びアンチストークス光)を抽出するとともに、ストークス光とアンチストークス光とを分離して出力するフィルタ等から成る。
光検出手段4a、4bは、波長分波手段2から出力されるストークス光およびアンチストークス光をそれぞれ光電変換し、この光電変換信号をそれぞれ所定の増幅率で増幅する。
データ変換手段5a、5bは、光検出手段4a、4bで増幅された光電変換信号をタイミング発生手段6によるタイミングでサンプリングし、ディジタル化されたサンプルデータを出力する。
タイミング発生手段6は、光源1が発光するためのタイミングトリガを光源1に順次出力する。このため光源1はタイミング発生手段6からのタイミングトリガによりパルス光が出射することになる。また光源1の1回の発光ごとに、データ変換手段5a、baにも測定開始のタイミングパルスを出力する。
演算処理手段7は、ファイバ3から出射される後方散乱光のストークス光およびアンチストークス光の光電変換信号から得られたサンプルデータに基づき、ファイバ3の温度分布データを算出し、温度分布データに対して所定の演算を行ってファイバ3の長さ方向における温度分布を表示するとともに、その時間変化や温度変化の検出を行う。
このような構成で(ラマン式のファイバ型)温度分布測定装置は次の動作を実行する。
光源1からのパルス光は、波長分波器2を経て、被測定対象であるファイバ3に入射する。パルス光のうち、ファイバ内のラマン散乱にて生じるストークス光とアンチストークス光は(図示せず)、同じファイバを戻り波長分波2に入射しこの波長分波手段2により分配されて、ストークス光は光検出器4a、アンチストークス光は光検出器4bにて検出される。
検出されたストークス光の強度とアンチストークス光の強度から、ファイバの該当部の温度を求め、OTDRと同様の原理にてその位置を特定する。
このような温度分布測定装置に関連する先行技術文献として、下記の特許文献1、2がある。
特開平6−26940号公報
特開2008−232888号公報
ストークス光とアンチストークス光の波数(波長)は、信号光(レーリ光)に対して正負の関係にあり例えば、一般の石英系光ファイバに対して信号光が1550nmのパルス光を用いると、ストークス光とアンチストークス光は±440cm-1(約±100nm)となる(このときのストークス光とアンチストークス光の波長は1650nmと1450nmである)。
このように、通常の光ファイバではその特性により、波長が異なる光はファイバ中を進行する速度が異なるので、ストークス光とアンチストークス光を同一のタイミングでサンプリング(測定)すると、異なる位置からのラマン散乱光を検出することになり、位置及び温度に誤差を生じてしまうという問題点があった。
このような問題点を解決するために、上述の特許文献1、2では光速に合わせ異なるサンプリング周期を用いる手法、多数サンプリングし間引く方法などが提案されているものの、以下の問題点があった。
a)適用するファイバ及びその環境状態により、ストークス光及びアンチストークス光に対する光速は定まらず、誤差要因となってしまう。
b)ストークス光及びアンチストークス光が乖離している為、伝送損失差が誤差要因となってしまう。
本発明は上述の問題点を解決するものであり、その目的は、温度測定誤差を低減させることにある。
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
ファイバに出射されるパルス光により前記ファイバ内で生じる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およびアンチストークス光を検出して前記ファイバ内の温度を測定する温度分布測定装置において、
前記ファイバに第1のパルス光を出射する第1の光源と、
前記第1のパルス光によるストークス光またはアンチストークス光の光速と前記ファイバ内のアンチストークス光とストークス光の光速とが同じまたは相互近似する第2のパルス光を出射する第2の光源を備えることを特徴とする温度分布測定装置である。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の温度分布測定装置において、
前記第1および第2のパルス光により前記ファイバ内で生じる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およびアンチストークス光を検出して光電変換信号を出力する各第1、第2の光検出手段と、
前記パルス光がファイバに出射するタイミングで前記各光電変換信号から取得したサンプルデータをディジタル化して出力する第1、第2のデータ変換手段と、
前記各サンプルデータに基づき前記ストークス光とアンチストークス光の強度から前記ファイバ内の温度を測定する演算制御手段と、
を具備することを特徴とする。
前記第1および第2のパルス光による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およびアンチストークス光を分配し、前記第1および第2のパルス光のうち長波長のパルス光によるアンチストークス光を前記第1または第2の光検出手段のいずれか一方に入射させ、前記第1および第2のパルス光のうち短波長のパルス光によるストークス光を他方の光検出手段に入射させる波長分波手段を具備することを特徴とする。
このように、請求項1に係る温度分布測定装置によれば、第1、第2の光源が、一方のパルス光によるストークス光またはアンチストークス光の光速と他方のパルス光によるアンチストークス光とストークス光の光速とが同じまたは相互近似するようにそれぞれ波長の異なるパルス光を出射することにより、光ファイバ中の往復にかかる時間が同一となるので同じサンプリング周期にて検出するラマン散乱位置の誤差が生じず、位置および温度測定誤差が低減できる。
請求項2に係る温度分布測定装置によれば、第1、第2の光源が、一方のパルス光によるストークス光またはアンチストークス光の光速と他方のパルス光によるアンチストークス光とストークス光の光速とが同じまたは相互近似するようにそれぞれ波長の異なるパルス光を出射し、第1、第2の光検出手段が短波長パルスに対するストークス光検知と長波長パルスに対するアンチストークス光検知を行うことにより、光ファイバ中の往復にかかる時間が同一となるので同じサンプリング周期にて検出するラマン散乱位置の誤差が生じず、位置および温度測定誤差が低減できる。
請求項3に係る温度分布測定装置によれば、第1、第2の光源が、一方のパルス光によるストークス光またはアンチストークス光の光速と他方のパルス光によるアンチストークス光とストークス光の光速とが同じまたは相互近似するようにそれぞれ波長の異なるパルス光を出射し、波長分波手段がこれら光源のいずれかから出射された長波長パルス光のアンチストークス光を光検出手段のいずれか一方に入射させ、光源のいずれかから出射された短波長パルス光のストークス光を他方の光検出手段に入射させて、光検出手段が短波長パルスに対するストークス光検知と長波長パルスに対するアンチストークス光検知を行うことにより、光ファイバ中の往復にかかる時間が同一となるので同じサンプリング周期にて検出するラマン散乱位置の誤差が生じず、位置および温度測定誤差が低減できる。
本発明に係る温度分布測定装置の構成例を示す構成図である。 本発明に係る各後方散乱光の状態の説明図である。 図3は従来の後方散乱光の状態の説明図である。 従来の温度分布測定装置の構成図である。
(第1の実施例)
図1は、本発明に係る温度分布測定装置の構成例を示す構成図であり、図4と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。図4との相違点は、ファイバ3中のストークス光とアンチストークス光に係るトータルでの光速が等しくなるような波長が異なるパルス光を出射する光源を2個備える点、波長分波手段がこれら光源のいずれかから出射された長波長のパルス光のうち分配されるアンチストークス光を光検出手段のいずれか一方に入射させ、光源のいずれかから出射された短波長のパルス光のうち分配されるストークス光を他方の光検出手段に入射させる点で相違する。
図1において、本発明の温度分布測定装置は主に、光源1(第1の光源)、光源10(第2の光源)と波長分波手段2と、ファイバ3と、光検出手段4a、4bと、データ変換手段5a、5bと、タイミング発生手段6と、演算処理手段7とから構成される。
具体的には、光源1、10は、光を出射するレーザダイオードなどであり、光源1と光源10とは出射する光の波長は異なるものであって、光源1、10のうちいずれかから出射される比較的長波長(短波長)のパルス光のアンストークス光(ストークス光)の波長が比較的短波長(長波長)のパルス光の波長と同一または相互近似するものである。たとえば本発明の温度分布測定装置の光源1は1550nmのパルス光(長波長)を出射し、光源10は1450nmのパルス光(短波長)を出射するものでよい。
このようにすることにより、ファイバ中のトータルでの光速は等しくなり、同じサンプリング周期にて検出するラマン散乱位置の誤差が生じず、測定誤差の少ないラマン式のファイバ型温度分布測定器が実現できる。図2は本発明の温度分布測定装置の光源1、10による各後方散乱光の状態の説明図であり、図2では、短波長パルス光(1450nm)と長波長パルス光(1550nm)における一例を示している。
図2で示すように、たとえば、光源1からのパルス光によるストークス光と光源10からのパルス光の波長が同じまたは相互近似し、光源10からのパルス光によるアンチストークス光と光源1からのパルス光の波長が同じまたは近似する。このため、短波長パルス(1450nm)の波長と1550nmの長波長パルスによるアンチストークス光(1450nm)の波長とが等しく(ほぼ等しく)なるとともに、長波長パルス(1550nm)の波長と1450nmの短波長パルスによるストークス光(1550nm)の波長とが等しく(ほぼ等しく)なることにより、光ファイバ中の往復にかかる時間が同一となる。
波長分波手段2は、ファイバ3からの後方散乱光に含まれるラマン散乱光(ストークス光及びアンチストークス光)を抽出するとともに、ストークス光とアンチストークス光とを分離して出力するフィルタ等から成る。ファイバ3は、光ファイバなどであって、数km〜数十km程度の長さを有する石英系マルチモード光ファイバや、シングルモード光ファイバ等からなるものである。
この波長分波手段2は、光源1、10のいずれかから出射された長波長(たとえば1550nm)のパルス光のうち分配される(たとえば波長1450nmの)アンチストークス光を光検出手段4a、4bのいずれか一方に入射させ、光源1、10のいずれかから出射された短波長(たとえば1450nm)のパルス光のうち分配される(たとえば1550nmの)ストークス光を他方の光検出手段に入射させる。
光検出手段4a、4bは、フォトダイオード(たとえばアバランシェ・フォトダイオード)等の受光素子を備え、波長分波手段2から出力されるストークス光およびアンチストークス光をそれぞれ光電変換し、この光電変換信号をそれぞれ所定の増幅率で増幅する。
具体的には、光源1から波長1550nmのパルス光が光源10から波長1450nmのパルス光が出射されるとすれば、光検出手段4aは、光源1から出射された波長1550nmのパルス光のうち、波長分波手段2によって分配された約1450nmのアンチストークス光を受光し、光電変換してデータ変換手段5aに出力する。また光検出手段4bは、光源10から出射された波長1450nmのパルス光のうち、波長分波手段2によって分配された約1550nmのアンチストークス光を受光し、光電変換してデータ変換手段5bに出力する。
データ変換手段5a、5bは、光検出手段4a、4bで増幅されたストークス光およびアンチストークス光の光電変換信号をタイミング発生手段6で規定されるタイミングでサンプリングし、ディジタル化されたサンプルデータを出力するA/D変換器等から成る。
タイミング発生手段6は、水晶発振機と分周器等から構成され、光源1、10が発光する時間を制御するタイミングパルスであるタイミングトリガを光源1、10に順次出力する。このため光源1、10はタイミング発生手段6からのタイミングトリガによりパルス光が出射することになる。また光源1、10の1回の発光ごとに、データ変換手段5a、baにも測定開始のタイミングパルスを出力する。
演算処理手段7は、ファイバ3から出射される後方散乱光のストークス光およびアンチストークス光の光電変換信号から得られたサンプルデータに基づき、ファイバ3の温度分布データを算出し、温度分布データに対して所定の演算を行ってファイバ3の長さ方向における温度分布を表示するとともに、その時間変化や温度変化の検出を行う。
具体的には、演算処理手段7は、これらのストークス光およびアンチストークス光の強度比が温度に比例して変化することを利用して、パルス光をファイバ3に入射させた時点以降のストークス光とアンチストークス光とのサンプルデータに基づいて強度比の時間変化を求めることによりファイバ3の長さ方向における温度分布を測定する。
また特に図示しないが、本発明に係る温度分布測定装置は、たとえば液晶表示装置やCRT等の表示装置とユーザにより操作されるキーボードやマウス等の入力装置とを備えたコンピュータにより実現される表示操作装置を備えるものでもよい。この表示操作装置は、演算処理回路から出力される演算結果(ファイバの長さ方向における温度分布)を表示装置に表示するとともに、ユーザの操作に応じて、演算制御手段およびタイミング発生手段等を制御するものでもよい。
このような構成で本発明の(ラマン式のファイバ型)温度分布測定装置は、たとえば次のように動作を実行する。
光源1、10は、タイミング発生手段6からのタイミングトリガによりパルス光を出射する。
光源1からの出射された波長1550nmのパルス光は、波長分波器2を経て、被測定対象であるファイバ3に入射する。このパルス光のうち、ファイバ内のラマン散乱にて生じるストークス光(波長約1650nm)とアンチストークス光(波長約1450nm)は、同じファイバを戻り波長分波手段2に入射しこの波長分波手段2により分配され、波長が約1450nmのアンチストークス光が光検出器4bにて検出される。
このとき、光源10からも波長1450nmのパルス光が出射され、波長分波器2を経て、被測定対象であるファイバ3に入射する。このパルス光のうち、ファイバ内のラマン散乱にて生じるストークス光(波長約1550nm)とアンチストークス光(波長約1350nm)は、同じファイバを戻り波長分波手段2に入射しこの波長分波手段2により分配され、波長が約1550nmのストークス光が光検出器4aにて検出される。
このようにすることにより、ファイバ中のトータルでの光速は等しくなり、同じサンプリング周期にて検出するラマン散乱位置の誤差が生じず、測定誤差の少ないラマン式のファイバ型温度分布測定器が実現できる。つまり、短波長パルス(1450nm)とストークス光の波長、および、長波長パルス(1550nm)とアンチストークス光の波長を合わせる事により、光ファイバ中の往復にかかる時間が同一となる。
また、光検出器4a、4bは受光した光源1からのアンチストークス光と光源10からのストークス光を光電変換して増幅してデータ変換手段5bに出力する。
データ変換手段5a、5bは、光源1、10の1回の発光ごとに、タイミング発生手段7からの測定開始のタイミングパルスを受信して各光電変換信号からサンプルデータを取得する。
そして、データ変換手段5a、5bは、光検出手段4a、4bで増幅されたストークス光およびアンチストークス光の光電変換信号を光源1、10の1回の発光ごとにタイミング発生手段6から出力されるタイミングトリガが入力されると、でサンプリングし、ディジタル化されたサンプルデータを演算制御手段7に出力する。
演算制御手段7は、検出された光源10からのストークス光の強度と光源1からのアンチストークス光の強度から、ファイバの該当部の温度を算出して、OTDRと同様の原理にてその位置を特定する。
このようにすることにより、ファイバ中のトータルでの光速は等しくなり、同じサンプリング周期にて検出するラマン散乱位置の誤差が生じず、測定誤差の少ないラマン式のファイバ型温度分布測定器が実現できる。
いいかえれば、本発明の温度分布測定装置は、波長の異なるパルス光を用い、短波長パルスに対するストークス光検知と、長波長パルスに対するアンチストークス光検知を行うことにより、短波長パルスとストークス光の波長、および、長波長パルスとアンチストークス光の波長を合わせることで光ファイバ中の往復にかかる時間を同一とし、位置および温度測定誤差が低減できる。
この結果、本発明の温度分布測定装置は、複数の光源がファイバ中のストークス光とアンチストークス光に係るトータルでの光速が等しくなるような波長が異なるパルス光を出射する出射し、波長分波手段がこれら光源のいずれかから出射された長波長パルス光のアンチストークス光を光検出手段のいずれか一方に入射させ、光源のいずれかから出射された短波長パルス光のストークス光を他方の光検出手段に入射させて、光検出手段が短波長パルスに対するストークス光検知と長波長パルスに対するアンチストークス光検知を行うことにより、短波長パルスの波長と長波長パルスによるアンチストークス光の波長とが等しく(ほぼ等しく)なるとともに、長波長パルスの波長との短波長パルスによるストークス光の波長とが等しく(ほぼ等しく)なることで光ファイバ中の往復にかかる時間が同一となるので同じサンプリング周期にて検出するラマン散乱位置の誤差が生じず、位置および温度測定誤差が低減できる。
また本発明の温度分布測定装置は、複数の光源がファイバ中のストークス光とアンチストークス光に係るトータルでの光速が等しくなるような波長が異なるパルス光を出射する出射し、波長分波手段がこれら光源のいずれかから出射された長波長パルス光のアンチストークス光を光検出手段のいずれか一方に入射させ、光源のいずれかから出射された短波長パルス光のストークス光を他方の光検出手段に入射させて、光検出手段が短波長パルスに対するストークス光検知と長波長パルスに対するアンチストークス光検知を行うことにより、ファイバの各波長に対する光速が、不明かあるいは分布があっても、温度測定誤差が低減できる大きな効果がある。
また本発明の温度分布測定装置は、複数の光源がファイバ中のストークス光とアンチストークス光に係るトータルでの光速が等しくなるような波長が異なるパルス光を出射する出射し、波長分波手段がこれら光源のいずれかから出射された長波長パルス光のアンチストークス光を光検出手段のいずれか一方に入射させ、光源のいずれかから出射された短波長パルス光のストークス光を他方の光検出手段に入射させて、光検出手段が短波長パルスに対するストークス光検知と長波長パルスに対するアンチストークス光検知を行うことにより、全体で使用する波長領域が従来技術よりも狭く(具体的には従来技術では1550nm→1450nm,1650nmであるところ、本発明では1450〜1550nmとなる)なるので、ファイバの伝送特性の影響を受けにくい点で有効である。また広帯域の受光器、波長分波器が不要となる点で有効である。
(その他の実施例)
なお、本発明に係る温度分布測定装置は、光源1、10からそれぞれ出射されるパルス光の強度は予め同一となるようにしてもよい、また、レーリ散乱光を測定する等により、パルス光の強度データを得ることによって温度分布を算出するものでも良い。
また本発明に係る温度分布測定装置では、光源1、10からそれぞれ出射されるパルス光の強度を変えるものでもよい。たとえば弱いアンチストークス光を検出しやすくする為に、先の例では1550nmのパルス光強度を上げるものなどが挙げられる。
また、本発明に係る温度分布測定装置では、ファイバの各波長に対する光速度差に問題が無い、あるいは、ファイバ特性などと相殺できる場合であれば、たとえば、
”1600nmパルス光→1500nmのアンチストークス光を検出し、
1450nmパルス光→1550nmのストークス光を検出する”
というように、波長が重ならない組み合わせとして、同時動作をさせるものでもよい。
また、本発明に係る温度分布測定装置では、ファイバ3を構成要素として図1に示しているが特にこれに限定するものではなく、対象は光ファイバでなくても良く、測定対象としては、気体(空気中)でもよいし、液体(水中)でもよいし、固体(ファイバ以外のもの)でもよい。
以上説明したように、本発明の温度分布測定装置は、複数の光源がファイバ中のストークス光とアンチストークス光に係るトータルでの光速が等しくなるような波長が異なるパルス光を出射する出射し、波長分波手段がこれら光源のいずれかから出射された長波長パルス光のアンチストークス光を光検出手段のいずれか一方に入射させ、光源のいずれかから出射された短波長パルス光のストークス光を他方の光検出手段に入射させて、光検出手段が短波長パルスに対するストークス光検知と長波長パルスに対するアンチストークス光検知を行うことにより、光ファイバ中の往復にかかる時間が同一となるので同じサンプリング周期にて検出するラマン散乱位置の誤差が生じず、位置および温度測定誤差が低減できるので、正確な温度分布の測定に貢献できる。
1、10 光源
2 波長分波手段
3 ファイバ
4a、4b 光検出手段
5a、5b データ変換手段
6 タイミング発生手段
7 演算処理手段

Claims (3)

  1. ファイバに出射されるパルス光により前記ファイバ内で生じる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およびアンチストークス光を検出して前記ファイバ内の温度を測定する温度分布測定装置において、
    前記ファイバに第1のパルス光を出射する第1の光源と、
    前記第1のパルス光によるストークス光またはアンチストークス光の光速と前記ファイバ内のアンチストークス光とストークス光の光速とが同じまたは相互近似する第2のパルス光を出射する第2の光源を備えることを特徴とする温度分布測定装置。
  2. 前記第1および第2のパルス光により前記ファイバ内で生じる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およびアンチストークス光を検出して光電変換信号を出力する各第1、第2の光検出手段と、
    前記パルス光がファイバに出射するタイミングで前記各光電変換信号から取得したサンプルデータをディジタル化して出力する第1、第2のデータ変換手段と、
    前記各サンプルデータに基づき前記ストークス光とアンチストークス光の強度から前記ファイバ内の温度を測定する演算制御手段と、
    を具備することを特徴とする請求項1記載の温度分布測定装置。
  3. 前記第1および第2のパルス光による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およびアンチストークス光を分配し、前記第1および第2のパルス光のうち長波長のパルス光によるアンチストークス光を前記第1または第2の光検出手段のいずれか一方に入射させ、前記第1および第2のパルス光のうち短波長のパルス光によるストークス光を他方の光検出手段に入射させる波長分波手段を
    具備することを特徴とする請求項2記載温度分布測定装置。
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