JP2011209225A - 温度分布校正機能を有する温度分布測定装置及び温度分布校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバにおける波長により異なる伝送損失の変化が生じてもその伝送損失の補正を行い、温度分布の校正を行うこと。
【解決手段】たとえばＬＤ駆動選択回路（半導体レーザ駆動選択回路）３から第１の光パルス（１１００ｎｍ）を発振し、反ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（３））５から第１の光パルスより発生する後方散乱の第１の反ストークス光と同波長の第２の光パルス（１０５０ｎｍ）を発振し、ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（２））４からから第１の光パルスより発生する後方散乱の第１のストークス光と同波長の第３の光パルス（１１５０ｎｍ）を発振し、信号制御処理部により、第２の光パルスの伝送損失により、第１の反ストークス光の伝送損失の補正を行い、第３の光パルスの伝送損失により、第１のストークス光の伝送損失の補正を行うようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度センサとなる光ファイバを用いた温度分布校正機能を有する温度分布測定装置に係り、特に光ファイバ中で発生するラマン散乱光を用いて光ファイバの長手方向での温度分布を校正して測定する温度分布校正機能を有する温度分布測定装置及び温度分布校正方法に関する。

従来より、光ファイバを温度センサとし、その光ファイバ中で発生するラマン散乱光を用いることで光ファイバの長手方向での温度分布を測定する温度分布測定装置が知られている。

このような温度分布測定装置では、光ファイバを、たとえばプラント、トンネル、鉄道、その他構築物に張りめぐらせておくことで、温度分布のモニタリングが可能となることから、火災、設備異常等の早期発見に効果が発揮されている。

このような光ファイバを温度センサとし、光ファイバの長手方向での温度分布を測定するものとして、特許文献１に示されているような光ファイバを用いた物理量分布検知センサが知られている。

この光ファイバを用いた物理量分布検知センサでは、光ファイバの端部から光源で発生した光パルスを光ファイバに入射させ、この光ファイバに入射した光パルスが光ファイバ中を進行するに従い光ファイバの各位置で発生し、光入射端に戻ってくる後方散乱光のうち、ラマン散乱光のストークス光と反ストークス光の比を取り温度に換算し、光ファイバの任意の位置の温度で補正することにより、光ファイバの温度分布を測定することができる。

特許第２５６５０４６号

上述した特許文献１に示される光ファイバを用いた物理量分布検知センサでは、光ファイバに損失変動が生じても反ストークス光とストークス光との比に変化がなければ光ファイバの長手方向での温度分布を正しく測定することができる。

ところが、波長に依存する伝送損失の変動や、光ファイバの長手方向で不均一な伝送損失の変動が生じると、反ストークス光とストークス光とがそれぞれ異なる伝送損失を受けた後の反ストークス光及びストークス光の測定になってしまう。

そのため、反ストークス光とストークス光との比に変化が生じると、伝送損失の変動を温度変化と捉えてしまい、光ファイバの長手方向での正しい温度分布を測定することができなくなってしまうという問題があった。

ちなみに、温度センサである光ファイバは、一般的に長期に亘って温度監視を行うものであるが、様々な環境条件下に曝されることで、光ファイバの長手方向で不均一な伝送損失の変動を起こす可能性がある。言い換えれば、伝送損失の変動を起こさない非常に安定した環境下での監視は実行上不可能であると言える。

このように、長期に渡って伝送損失の変動の起きない安定した環境下での監視は実行上不可能であるため、従来のように、伝送損失を補正する手段を有していなければ光ファイバにおける波長により異なる伝送損失の変化に応じてその温度分布の校正を行うことができないことから、光ファイバにおける波長により異なる伝送損失の変化が生じてもその伝送損失の補正を行い、温度分布の校正を行うことができるシステムの開発が望まれていた。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、光ファイバにおける波長により異なる伝送損失の変化が生じてもその伝送損失の補正を行い、温度分布の校正を行うことができる温度分布校正機能を有する温度分布測定装置及び温度分布校正方法を提供することを目的とする。

本発明の温度分布校正機能を有する温度分布測定装置は、光源から発した光パルスを光ファイバに入射し、光パルス光により生じた後方散乱光である、反ストークス光とストークス光の光強度分布比により光ファイバの長手方向での温度分布測定を行う測定装置であって、
第１の光パルスを発振する第１の光源と、
該第１の光パルスより発生する後方散乱の第１の反ストークス光と同波長の第２の光パルスを発振する第２の光源と、
前記第１の光パルスより発生する後方散乱の第１のストークス光と同波長の第３の光パルスを発振する第３の光源と、
前記第１の光源、第２の光源、第３の光源のいずれかを光パルスを発振させるように駆動選択する第１の駆動選択手段と、
前記第２の光パルスと前記第３の光パルスの伝送損失の変化に応じて前記第１の反ストークス光と前記第１のストークス光の伝送損失の補正を行う補正手段とを備える
ことを特徴とする温度分布校正機能を有する温度分布測定装置。
本発明の温度分布校正機能を有する温度分布測定装置は、反ストークス光とストークス光により光ファイバの長手方向での温度分布測定を行う測定装置であって、
第１の光パルスと、該第１の光パルスより発生する後方散乱の第１の反ストークス光と同波長の第２の光パルスと、前記第１の光パルスより発生する後方散乱の第１のストークス光と同波長の第３の光パルスとのいずれかを発振する光源と、
該光源に対して前記第１の光パルス、第２の光パルス、第３の光パルスのいずれかを発振させるように駆動選択する第２の駆動選択手段と、
前記第２の光パルスと前記第３の光パルスの伝送損失の変化に応じて前記第１の反ストークス光と前記第１のストークス光の伝送損失の補正を行う補正手段とを備える
ことを特徴とする。
また、前記補正手段は、
前記第２の光パルスの伝送損失により、前記第１の反ストークス光の伝送損失の補正を行い、
前記第３の光パルスの伝送損失により、前記第１のストークス光の伝送損失の補正を行う
ようにすることができる。
また、前記補正手段は、
前記第２の光パルスの伝送損失により、前記第１の反ストークス光の伝送損失の補正を行い、
前記第３の光パルスの伝送損失により、前記第１のストークス光の伝送損失の補正を行う
ようにすることができる。
本発明の温度分布校正方法は、光ファイバにおける反ストークス光とストークス光により温度分布測定を行う温度分布測定方法において、
第１の駆動選択手段による駆動選択により、第１の光源から発振される第１の光パルスと、該第１の光パルスより発生する後方散乱の第１の反ストークス光と同波長の第２の光源から発振される第２の光パルスと、前記第１の光パルスより発生する後方散乱の第１のストークス光と同波長の第３の光源から発振される第３の光パルスとのいずれかを発振させる発振工程と、
前記第２の光パルスと前記第３の光パルスの伝送損失の変化に応じて前記第１の反ストークス光と前記第１のストークス光の伝送損失の補正を行う補正工程とを有する
ことを特徴とする。
本発明の温度分布校正方法は、光ファイバにおける反ストークス光とストークス光により温度分布測定を行う温度分布測定方法において、
第２の駆動選択手段による駆動選択により、第１の光パルスと、該第１の光パルスより発生する後方散乱の第１の反ストークス光と同波長の第２の光パルスと、前記第１の光パルスより発生する後方散乱の第１のストークス光と同波長の第３の光パルスとのいずれかを光源から発振させる発振工程と、
前記第２の光パルスと前記第３の光パルスの伝送損失の変化に応じて前記第１の反ストークス光と前記第１のストークス光の伝送損失の補正を行う補正工程とを有する
ことを特徴とする。
また、前記補正工程では、
前記第２の光パルスの伝送損失により、前記第１の反ストークス光の伝送損失の補正が行われ、
前記第３の光パルスの伝送損失により、前記第１のストークス光の伝送損失の補正が行われる
ようにすることができる。
また、前記補正工程では、
前記第２の光パルスの伝送損失により、前記第１の反ストークス光の伝送損失の補正が行われ、
前記第３の光パルスの伝送損失により、前記第１のストークス光の伝送損失の補正が行われる
ようにすることができる。
また、前記補正工程では、
前記第１の反ストークス光の光パワーをＰｓ０とし、
前記第１のストークス光の光パワーをＰａ０とし、
前記第１のストークス光の伝送損失をαａとし、
前記反ストークス光の伝送損失をαｓとし、
測定地点での距離をＬとしたとき、
下記の式（１０）より、前記反ストークス光と前記ストークス光との波長差による伝送損失の差により生じる、距離による温度勾配が補正される
ようにすることができる。

また、前記補正工程では、
前記第１の光源からの前記第１の光パルスにより発生した後方散乱の前記第１の反ストークス光を受光した際の光パワーをＰｓ０（?）とし、
前記第１の光源からの前記第１の光パルスにより発生した後方散乱の前記第１のストークス光を受光した際の光パワーをＰａ０（?））とし、
前記第１の光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１の反ストークス光と同波長の、前記第２の光源から発振した前記第２の光パルスの伝送損失をＰｓ（?）とし、
前記第１の光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１のストークス光と同波長の、前記第３の光源から発振した前記第３の光パルスの伝送損失をＰａ（?）とし、
前記第１の光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１のストークス光と同波長の、前記第３の光源から発振した前記第３の光パルスの光パワーをＰ０１とし、
前記第１の光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１のストークス光と同波長の、前記第２の光源から発振した前記第２の光パルスの光パワーをＰ０２とし、
前記光ファイバにおける測定地点での距離をＬをとしたとき、
下記の式（１７）より、波長に依存する損失変動及び長手方向の不均一の損失変動による、前記光ファイバの損失変動が補正される
ようにすることができる。

また、前記補正工程では、
前記光源からの前記第１の光パルスにより発生した後方散乱の前記第１の反ストークス光を受光した際の光パワーをＰｓ０（?）とし、
前記光源からの前記第１の光パルスにより発生した後方散乱の前記第１のストークス光を受光した際の光パワーをＰａ０（?））とし、
前記光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１の反ストークス光と同波長の、前記光源からの前記第２の光パルスの伝送損失をＰｓ（?）とし、
前記光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１のストークス光と同波長の、前記光源からの前記第３の光パルスの伝送損失をＰａ（?）とし、
前記光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１のストークス光と同波長の、前記光源からの第３の光パルスの光パワーをＰ０１とし、
前記光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１のストークス光と同波長の、前記光源からの前記第２の光パルスの光パワーをＰ０２とし、
前記光ファイバにおける測定地点での距離をＬとしたとき、
下記の式（１７）より、波長に依存する損失変動及び長手方向の不均一の損失変動による、前記光ファイバの損失変動が補正される
ようにすることができる。

本発明の温度分布校正機能を有する温度分布測定装置及び温度分布校正方法では、たとえば第１の光源から第１の光パルスを発振し、第２の光源から第１の光パルスより発生する後方散乱の第１の反ストークス光と同波長の第２の光パルスを発振し、第３の光源から第１の光パルスより発生する後方散乱の第１のストークス光と同波長の第３の光パルスを発振し、補正手段により、第２の光パルスの伝送損失により、第１の反ストークス光の伝送損失の補正を行い、第３の光パルスの伝送損失により、第１のストークス光の伝送損失の補正を行うようにしたので、光ファイバにおける波長により異なる伝送損失の変化が生じてもその伝送損失の補正を行うことができる。

本発明の温度分布校正機能を有する温度分布測定装置及び温度分布校正方法によれば、第２の光パルスの伝送損失により、第１の反ストークス光の伝送損失の補正を行い、第３の光パルスの伝送損失により、第１のストークス光の伝送損失の補正を行うようにしたので、光ファイバにおける波長により異なる伝送損失の変化が生じてもその伝送損失の補正を行うことができ、温度分布の校正を行うことができる。

本発明の温度分布校正機能を有する温度分布測定装置の一実施形態を説明するための図である。 図１の温度分布校正機能を有する温度分布測定装置における温度分布校正の概要を説明するためのフローチャートである。 図１の温度分布校正機能を有する温度分布測定装置における損失補正値の不適正による温度勾配を示す図である。

以下、本発明の実施形態の詳細について説明する。図１は本発明の温度分布校正機能を有する温度分布測定装置の一実施形態を説明するための図であり、図２は図１の温度分布校正機能を有する温度分布測定装置における温度分布校正の概要を説明するためのフローチャートであり、図３は図１の温度分布校正機能を有する温度分布測定装置における損失補正値の不適正による温度勾配を示す図である。

まず、図１に示す温度分布校正機能を有する温度分布測定装置（以下、単に温度分布測定装置という）は、信号制御処理部１、ＬＤ駆動選択回路（半導体レーザ駆動選択回路）２、ラマン散乱光発生用半導体レーザ（ＬＤ（１））３、ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（２））４、反ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（３））５、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）カップラ６、光カップラ７，８、反ストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（１））９、ストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（２））１０を備えている。

なお、符号１１は温度分布測定対象の光ファイバ４０との光結合を行う光コネクタであり、符号１２は温度分布表示用コンピュータ（ＰＣ）３０とのインターフェース用コネクタをそれぞれ示している。インターフェース用コネクタ１２としては、ＲＳ−２３２Ｃ、ＧＰ−ＩＢ、ＬＡＮ等を用いることができる。

また、符号２０は光ファイバ基準温度検出部２１及び基準温度検出用温度計２２を備えた光ファイバ基準温度検出保温槽を示している。なお、光ファイバ基準温度検出保温槽２０は、光ファイバ４０の長手方向でのそれぞれの区間における絶対温度とのオフセットをとるための基準温度を検出するものである。また、光ファイバ４０の長手方向での任意の位置での基準温度が測定可能であれば、光ファイバ基準温度検出保温槽２０を省くようにしてもよい。

ここで、補正手段としての上述した信号制御処理部１は、ラマン散乱光発生用半導体レーザ（ＬＤ（１））３、ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（２））４及び反ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（３））５の選択駆動制御と、反ストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（１））９及びストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（２））１０からの信号取り込みのタイミング制御と、取り込んだ信号の信号処理とを行う。信号制御処理部１における信号処理の詳細については、後述する。

第１の駆動選択手段としてのＬＤ駆動選択回路（半導体レーザ駆動選択回路）２は、信号制御処理部１からの制御に応じてラマン散乱光発生用半導体レーザ（ＬＤ（１））３、ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（２））４及び反ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（３））５を選択駆動させる。

第１の光源としてのラマン散乱光発生用半導体レーザ（ＬＤ（１））３は、ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ ）測定用の信号である、たとえば１１００ｎｍの波長の光パルス信号を発振する。

第３の光源としてのストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（２））４は、反ストークス光と同波長である、１１００ｎｍの波長から約＋５０ｎｍシフトした約１１５０ｎｍの波長のＯＴＤＲ測定用の光パルス信号を発振する。

第２の光源としての反ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（３））５は、ストークス光と同波長である、１１００ｎｍの波長から約−５０ｎｍシフトした約１０５０ｎｍの波長のＯＴＤＲ測定用の光パルス信号を発振する。

ＷＤＭカップラ６は、ラマン散乱光発生用半導体レーザ（ＬＤ（１））３、ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（２））４、反ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（３））５からの光パルス信号を多重化して出力するものである。

光カップラ７は、光ファイバ４０のある点から戻ってきた反ストークス光及びストークス光を、反ストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（１））９及びストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（２））１０側に分岐させるものである。

光カップラ８は、光カップラ７によって分岐された反ストークス光及びストークス光を、それぞれの波長に対応する反ストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（１））９及びストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（２））１０に分岐させるものである。

反ストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（１））９は、光カップラ８によって分岐された反ストークス光を検出し、その検出結果を電流値として信号制御処理部１に出力する。ストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（２））１０は、光カップラ８によって分岐されたストークス光を検出し、その検出結果を電流値として信号制御処理部１に出力する。

このような構成の温度分布測定装置では、図２に示すように、ラマン散乱光発生用半導体レーザ（ＬＤ（１））３からたとえば１１００ｎｍの波長のＯＴＤＲ測定用の光パルス信号（第１の光パルス信号）が発振される（ステップＳ１）。次いで、第１の光パルス信号による反ストークス光、ストークス光のＯＴＤＲ測定を行う（ステップＳ２）。

また、反ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（３））５からは、そのＯＴＤＲ測定用の光パルス信号によって発生する第２の光パルス信号（第１の光パルス信号による反ストークス光と同波長）が発振される。次いで、第２の光パルス信号（第１の光パルス信号による反ストークス光と同波長）でのＯＴＤＲ測定を行う（ステップＳ３）。

また、ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（２））４からは、そのＯＴＤＲ測定用の光パルス信号によって発生する第３の光パルス信号（第１の光パルス信号によるストークス光と同波長）が発振される。次いで、第３の光パルス信号（第１の光パルス信号によるストークス光と同波長）でのＯＴＤＲ測定を行う（ステップＳ４）。

次いで、第２の光パルス信号（第１の光パルス信号による反ストークス光と同波長）と第１の光パルス信号による反ストークス光のＯＴＤＲ測定の伝送損失の差異を補正し（ステップＳ５）、第３の光パルス信号（第１の光パルス信号によるストークス光と同波長）と第１の光パルス信号によるストークス光のＯＴＤＲ測定の伝送損失の差異を補正し（ステップＳ６）、第１の光パルス信号による反ストークス光と、第１の光パルス信号によるストークス光の光強度分布比により光ファイバの長手方向の温度分布を求める（ステップＳ７）。

ここで、上記のステップＳ５〜Ｓ７での補正による温度分布を求める際、ラマン散乱光発生用半導体レーザ（ＬＤ（１））３を駆動してＯＴＤＲ測定用の光パルス信号（第１の光パルス信号）を発振し、そのときに発生する上記の反ストークス（第１の反ストークス光）及びストークス光（第１のストークス光）を測定し、それぞれをＰａ０（?）、Ｐｓ０（?）とする。なお、Ｐａ０（?）、Ｐｓ０（?）については、後述する。

そして、まず、たとえば反ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（３））５で発生させたＯＴＤＲ測定用の光パルス信号により反ストークス光波長（第３の光パルス信号）でのＯＴＤＲ測定を行い、その結果をＰａ（?）とする。なお、Ｐａ（?）については、後述する。

次に、ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（２））４で発生させたＯＴＤＲ測定用の光パルス信号によりストークス光波長（第２の光パルス）でのＯＴＤＲ測定を行い、その結果をＰｓ（?）とする。

なお、測定の順序に際しては、ストークス光波長（第２の光パルス）でのＯＴＤＲ測定を行ってから、反ストークス光波長（第３の光パルス）でのＯＴＤＲ測定を行うようにしてもよいことは勿論である。

各反ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（３））５及びストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（２））４でのＯＴＤＲ測定の際は、反ストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（１））９及びストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（２））１０にてそれぞれの波長に対応する信号取り込みが行われる。

ここで、ラマン散乱光発生用半導体レーザ（ＬＤ（１））３からのＯＴＤＲ測定用の光パルス信号による後述のＰ０１（第３の光パルスの光パワー）及びＰ０２（第２の光パルスの光パワー）は、予め光コネクタ１１の出力にて同じパワーとなるように調整することで、後述の式（１７）の分母の第３項を０にすることができるが、また実際に測定することも可能である。以上のＯＴＤＲ測定を行い、後述の式（１７）を用いることにより、温度分布を求めることが可能となる（ステップＳ５〜Ｓ７）。

なお、各反ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（３））５及びストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（２））４でのＯＴＤＲ測定である、反ストークス光波長（第２の光パルス）及びストークス光波長（第３の光パルス）によるＯＴＤＲ測定は、通常、光ファイバ４０の損失変化は非常に遅いものと考えられるから毎回行う必要はなく、状況により１時間に１回、１日に１回等の設定を行って測定することが可能である。

また、ここではラマン散乱光発生用半導体レーザ（ＬＤ（１））３、ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（２））４及び反ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（３））５を個別に用意した例で説明しているが、可変波長半導体レーザを用いることで、これらを１個として兼用することもできる。

この場合は、第２の駆動選択手段により、適宜可変波長半導体レーザの発振波長を変えて、第１の光パルス、第１の光パルスにより発生した第１の反ストークス光の波長と同じ波長の第２の光パルス、第１の光パルスにより発生した第１のストークス光の波長と同じ波長の第３の光パルスのいずれかを選択して発振させるようにすればよい。

次に、上述した温度分布測定装置の信号制御処理部１による、伝送損失の補正を行うことによっての温度分布の校正を行う場合の具体例について説明する。

まず、ストークス光と反ストークス光の波長は、光ファイバ４０に入射するレーザ波長の両側に発生するものであり、上述したように、たとえばレーザ波長を１．０μｍとした場合、ストークス光と反ストークス光の波長は、それぞれ１．１５０μｍ、１．０５０μｍで、約１００ｎｍの波長差をもつことになる。

この波長差に起因する伝送損失の差により、全長に亘って光ファイバ４０の温度が一定である場合でも、得られる温度分布は傾斜（増加又は減少）を伴う直線状の温度分布となる。この傾斜補正を行うには、ストークス光と反ストークス光の伝送損失を一定値とする補正と既知温度との補正を行う必要がある。

なお、この補正は、光ファイバ４０の敷設後での伝送損失が一様でない場合や、光ファイバ４０の両端以外の場所での既知温度を与えることができない場合には困難である。また、一般にこのような温度のモニタリングでは、長期に亘って温度センサとしての機能を果たす光ファイバ４０を付設しておくことから、常に一定値の光損失を維持している確証は得られないものである。

ここで、反ストークスの光パワーであるＰａとストークスの光パワーであるＰｓは、下記の式（１）、式（２）で表される。
Ｐａ＝Ｃ・Ｎｐ （１）
Ｐｓ＝Ｃ（Ｎｐ＋１） （２）
なお、Ｃ及びＮｐについては後述する。

ストークス光及び反ストークス光の波長は、上述したように、ラマン散乱光発生用半導体レーザ（ＬＤ（１））３からの光パルス信号の波長を１１００ｎｍとした場合、約±５０ｎｍシフトした波長、すなわちストークス光の波長は約１１５０ｎｍ、反ストークス光の波長は約１０５０ｎｍとなり、反ストークス光とストークス光との間の波長差は約１００ｎｍとなる。

光ファイバ４０の伝送損失は波長特性を有していることから、ストークス光と反ストークス光はそれぞれ異なる光損失をもつことになり、実際の測定ではそれぞれ異なる光損失を補正する必要がある。

ここで、Ｎｐは、ラマン散乱光の占有率であり、下記の式（３）で与えられる。

ｈ、ｃ、ν_Ｒ 、ｋ、Ｔはそれぞれ、

である。

式（１）、式（２）の比をとると、下記の式（４）のように、

となり、これより温度Ｔ［Ｋ°］は、下記の式（５）のように、

となり、ストークス光の光パワーであるＰｓと反ストークス光の光パワーであるＰａとの比の自然対数をとることで温度が求められる。すなわち、ＰｓとＰａの比により温度が求められることになる。

このように、Ｐａ、Ｐｓは光ファイバ４０上のある点での光パワーであり、Ｐａ、Ｐｓの波長が同じ損失値である場合には、式（５）を使用して温度分布を求めることができる。ただし、上述の通り、ＰａとＰｓとの波長差は約１００ｎｍ程度離れており、異なった損失をもつことになる。つまり、温度分布測定装置が実際に測定する光パワーは、それぞれ異なる伝送損失を受けた、ある点から戻ってきた光パワーを測定するので、これを考慮して正確に温度分布換算を行うためには補正が必要となる。

そこで、上記の補正項を含んだ換算式を求める。それぞれの伝送損失αａ、αｓに温度分布測定装置からの地点間の距離Ｌだけ乗じ、温度分布測定装置で観測される反ストークス光の光パワー、ストークス光の光パワーをそれぞれＰａ０、Ｐｓ０とすれば、下記の式（６）、（７）のように、

となるから、下記の式（８）、（９）のように、

となる。

同様に式（８）と式（９）の比をとって整理すると、Ｌ地点から戻ってきて算出される温度Ｔ（Ｌ）は、下記の式（１０）のように、

となり、上記の式（５）による実際のＬ地点の温度に、伝送損失を補正する項を含めた換算式により、温度を求めることになる。

ここで、（αａ−αｓ）は、光ファイバ４０の全体を既知の一定温度にしておき、温度分布が水平（測定された温度分布も一様の温度となる）となるように設定する。さらに、光ファイバ４０の任意の位置における既知の温度を用いてオフセットをとることで、図２に示すように、補正することができる。

すなわち、たとえば反ストークス光の波長とストークス光の波長の損失差が、０．２７［ｄＢ／ｋｍ］（０．２７／４．３４３≒０．０６２［１／ｋｍ］）の場合、上記の式（１０）において、０．０６２［１／ｋｍ］を代入することで、温度分布が水平となる。

また、適正値０．２７［ｄＢ／ｋｍ］に対し、０．２９［ｄＢ／ｋｍ］を補正した場合には、図２に示すように、右上がりの温度勾配をもつ直線となる、また、適正値より低い０．２５［ｄＢ／ｋｍ］とした場合には、右下がりの温度勾配をもつ直線となる。

通常、温度分布は、ストークス光、反ストークス光の伝送損失が変化せず、上記の式（１０）において、両者の差（αａ−αｓ）が一定値を維持している場合、（αａ−αｓ）を正確に補正することにより、ストークス光と反ストークス光との比から正確な温度分布を測定することができる。

ただし、反ストークス光波長の伝送損失αａ、ストークス光の伝送損失αｓ、又は両者の伝送損失が光ファイバ４０の長手方向で均一あるいは不均一な変化が生じた場合、すなわち、上記の式（１０）において、分母の第２項（αａ−αｓ）の両者の差が変化した場合、均一な変化の場合には見かけ上、光ファイバ４０の長手方向に温度勾配を伴う温度分布となる。これに対し、不均一な場合には損失による温度変化と真の温度変化を識別不可能な分布を算出してしまう。

温度分布測定装置の用途上、一旦設置した後では実際に当該地点の温度を測定することが難しいあるいは不可能な場合が多く、実際の温度変化と光ファイバ４０の伝送損失の変動による温度変化との識別を即座に行う手段が必要となる。

ちなみに、光ファイバ４０の損失変動の要因は、光ファイバ４０の曲げに起因したものが支配的であるが、非常に微細な曲がりであるマイクロベンドは、波長に依存しない損失で一様な損失増となることから、温度分布測定には殆ど影響を与えないことを実験的に確認している。

一方、伝送損失の変動が波長に依存するマクロベンドあるいはその他の光損失（たとえば水素吸収、放射線吸収による光損失の変動など）が稼動期間中に発生した場合には、上記の理由で反ストークス光とストークス光との比に影響を与えてしまうことから、光損失の変動を温度変化と捉え、誤った情報を得てしまう危険性がある。

そこで、本実施形態では、上記の不具合を解消するようにしている。すなわち、上記の式（８）、（９）より、? 地点での反ストークス光、ストークス光が損失履歴α（?）を受けて、温度分布測定装置の反ストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（１））９及びストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（２））１０に入射する光パワーは、下記の式（１１）、（１２）のように表現することができる。

今、反ストークス光、ストークス光と同波長によるＯＴＤＲ測定を行い、損失分布をそれぞれ下記の式（１３）、（１４）のように、

とすれば、下記の式（１５）、（１６）のように、

となる。
ここで、式（１５）と式（１６）の比をとり、同様に整理すると、下記の式（１７）のように、

となり、任意の地点での伝送損失の変化が生じた場合でもその地点での伝送損失の補正が行われ、ファイバ上の位置?の正確な温度を知ることができる。

このように、本実施形態では、たとえば第１の光源であるＬＤ駆動選択回路（半導体レーザ駆動選択回路）３から第１の光パルス（１１００ｎｍ）を発振し、第２の光源である反ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（３））５から第１の光パルスより発生する後方散乱の第１の反ストークス光と同波長の第２の光パルス（１０５０ｎｍ）を発振し、第３の光源であるストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（２））４からから第１の光パルスより発生する後方散乱の第１のストークス光と同波長の第３の光パルス（１１５０ｎｍ）を発振し、補正手段である信号制御処理部により、第２の光パルスの伝送損失により、第１の反ストークス光の伝送損失の補正を行い、第３の光パルスの伝送損失により、第１のストークス光の伝送損失の補正を行うようにした。

これにより、光ファイバ４０における波長により異なる伝送損失の変化が生じてもその伝送損失の補正を行うことができ、温度分布の校正を行うことができる。

火災、設備異常等の早期発見等に限らず、一般の電気機器のオン／オフ制御にも適用することが可能である。

１ 信号制御処理部
２ ＬＤ駆動選択回路（半導体レーザ駆動選択回路）
３ ラマン散乱光発生用半導体レーザ（ＬＤ（１））
４ ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（２））
５ 反ストークス光波長損失測定用半導体レーザ（ＬＤ（３））
６ ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）カップラ
７，８ 光カップラ
９ 反ストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（１））
１０ ストークス光検出用フォトダイオード（ＰＤ（２））
１１ 光コネクタ
１２ インターフェース用コネクタ
２０ 光ファイバ基準温度検出保温槽
２１ 光ファイバ基準温度検出部
２２ 基準温度検出用温度計
３０ 温度分布表示用コンピュータ（ＰＣ）
４０ 光ファイバ

Claims (11)

1. 光源から発した光パルスを光ファイバに入射し、光パルス光により生じた後方散乱光である、反ストークス光とストークス光の光強度分布比により光ファイバの長手方向での温度分布測定を行う測定装置であって、
   第１の光パルスを発振する第１の光源と、
   該第１の光パルスより発生する後方散乱の第１の反ストークス光と同波長の第２の光パルスを発振する第２の光源と、
   前記第１の光パルスより発生する後方散乱の第１のストークス光と同波長の第３の光パルスを発振する第３の光源と、
   前記第１の光源、第２の光源、第３の光源のいずれかを光パルスを発振させるように駆動選択する第１の駆動選択手段と、
   前記第２の光パルスと前記第３の光パルスの伝送損失の変化に応じて前記第１の反ストークス光と前記第１のストークス光の伝送損失の補正を行う補正手段とを備える
   ことを特徴とする温度分布校正機能を有する温度分布測定装置。
2. 反ストークス光とストークス光により光ファイバの長手方向での温度分布測定を行う測定装置であって、
   第１の光パルスと、該第１の光パルスより発生する後方散乱の第１の反ストークス光と同波長の第２の光パルスと、前記第１の光パルスより発生する後方散乱の第１のストークス光と同波長の第３の光パルスとのいずれかを発振する光源と、
   該光源に対して前記第１の光パルス、第２の光パルス、第３の光パルスのいずれかを発振させるように駆動選択する第２の駆動選択手段と、
   前記第２の光パルスと前記第３の光パルスの伝送損失の変化に応じて前記第１の反ストークス光と前記第１のストークス光の伝送損失の補正を行う補正手段とを備える
   ことを特徴とする温度分布校正機能を有する温度分布測定装置。
3. 前記補正手段は、
   前記第２の光パルスの伝送損失により、前記第１の反ストークス光の伝送損失の補正を行い、
   前記第３の光パルスの伝送損失により、前記第１のストークス光の伝送損失の補正を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の温度分布校正機能を有する温度分布測定装置。
4. 前記補正手段は、
   前記第２の光パルスの伝送損失により、前記第１の反ストークス光の伝送損失の補正を行い、
   前記第３の光パルスの伝送損失により、前記第１のストークス光の伝送損失の補正を行う
   ことを特徴とする請求項２に記載の温度分布校正機能を有する温度分布測定装置。
5. 光ファイバにおける反ストークス光とストークス光により温度分布測定を行う温度分布測定方法において、
   第１の駆動選択手段による駆動選択により、第１の光源から発振される第１の光パルスと、該第１の光パルスより発生する後方散乱の第１の反ストークス光と同波長の第２の光源から発振される第２の光パルスと、前記第１の光パルスより発生する後方散乱の第１のストークス光と同波長の第３の光源から発振される第３の光パルスとのいずれかを発振させる発振工程と、
   前記第２の光パルスと前記第３の光パルスの伝送損失の変化に応じて前記第１の反ストークス光と前記第１のストークス光の伝送損失の補正を行う補正工程とを有する
   ことを特徴とする温度分布校正方法。
6. 光ファイバにおける反ストークス光とストークス光により温度分布測定を行う温度分布測定方法において、
   第２の駆動選択手段による駆動選択により、第１の光パルスと、該第１の光パルスより発生する後方散乱の第１の反ストークス光と同波長の第２の光パルスと、前記第１の光パルスより発生する後方散乱の第１のストークス光と同波長の第３の光パルスとのいずれかを光源から発振させる発振工程と、
   前記第２の光パルスと前記第３の光パルスの伝送損失の変化に応じて前記第１の反ストークス光と前記第１のストークス光の伝送損失の補正を行う補正工程とを有する
   ことを特徴とする温度分布校正方法。
7. 前記補正工程では、
   前記第２の光パルスの伝送損失により、前記第１の反ストークス光の伝送損失の補正が行われ、
   前記第３の光パルスの伝送損失により、前記第１のストークス光の伝送損失の補正が行われる
   ことを特徴とする請求項５に記載の温度分布校正方法。
8. 前記補正工程では、
   前記第２の光パルスの伝送損失により、前記第１の反ストークス光の伝送損失の補正が行われ、
   前記第３の光パルスの伝送損失により、前記第１のストークス光の伝送損失の補正が行われる
   ことを特徴とする請求項６に記載の温度分布校正方法。
9. 前記補正工程では、
   前記第１の反ストークス光の光パワーをＰｓ０とし、
   前記第１のストークス光の光パワーをＰａ０とし、
   前記第１のストークス光の伝送損失をαａとし、
   前記反ストークス光の伝送損失をαｓとし、
   測定地点での距離をＬとしたとき、
   下記の式（１０）より、前記反ストークス光と前記ストークス光との波長差による伝送損失の差により生じる、距離による温度勾配が補正される
   ことを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の温度分布校正方法。
   

   

   
   
   
   
   
   
   
   

   

   
   
   
   
   
   
   
10. 前記補正工程では、
    前記第１の光源からの前記第１の光パルスにより発生した後方散乱の前記第１の反ストークス光を受光した際の光パワーをＰｓ０（?）とし、
    前記第１の光源からの前記第１の光パルスにより発生した後方散乱の前記第１のストークス光を受光した際の光パワーをＰａ０（?））とし、
    前記第１の光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１の反ストークス光と同波長の、前記第２の光源から発振した前記第２の光パルスの伝送損失をＰｓ（?）とし、
    前記第１の光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１のストークス光と同波長の、前記第３の光源から発振した前記第３の光パルスの伝送損失をＰａ（?）とし、
    前記第１の光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１のストークス光と同波長の、前記第３の光源から発振した前記第３の光パルスの光パワーをＰ０１とし、
    前記第１の光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１のストークス光と同波長の、前記第２の光源から発振した前記第２の光パルスの光パワーをＰ０２とし、
    前記光ファイバにおける測定地点での距離をＬをとしたとき、
    下記の式（１７）より、波長に依存する損失変動及び長手方向の不均一の損失変動による、前記光ファイバの損失変動が補正される
    ことを特徴とする請求項５に記載の温度分布校正方法。
    

    

    
    

    

    
    
    
    
    
    
    
    

    
11. 前記補正工程では、
    前記光源からの前記第１の光パルスにより発生した後方散乱の前記第１の反ストークス光を受光した際の光パワーをＰｓ０（?）とし、
    前記光源からの前記第１の光パルスにより発生した後方散乱の前記第１のストークス光を受光した際の光パワーをＰａ０（?））とし、
    前記光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１の反ストークス光と同波長の、前記光源からの前記第２の光パルスの伝送損失をＰｓ（?）とし、
    前記光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１のストークス光と同波長の、前記光源からの前記第３の光パルスの伝送損失をＰａ（?）とし、
    前記光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１のストークス光と同波長の、前記光源からの第３の光パルスの光パワーをＰ０１とし、
    前記光源からの前記第１の光パルスより発生した後方散乱の前記第１のストークス光と同波長の、前記光源からの前記第２の光パルスの光パワーをＰ０２とし、
    前記光ファイバにおける測定地点での距離をＬとしたとき、
    下記の式（１７）より、波長に依存する損失変動及び長手方向の不均一の損失変動による、前記光ファイバの損失変動が補正される
    ことを特徴とする請求項６に記載の温度分布校正方法。
    

    

    
    
    
    
    
    
    
    

    

    
    
    
    
    
    
    

    

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