JP2553174B2 - 光ファイバ式分布形温度計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は温度計測方法、特に光ファイバ式分布形温度
計測方法に関するものである。

［従来の技術］ 光ファイバ式分布形温度計測方法は、光ファイバ中の
ラマン散乱光やレーリ散乱光等の散乱光強度が温度によ
って変化することを利用し、この変化を公知のOTDR（Op
tical time Domain Reflectometry）の手法で検知する
ことにより、光ファイバの長手方向に沿った温度分布を
計測するものである。

ラマン散乱光を利用した光ファイバ式分布形温度計測
方法（以下、単にラマン式温度計測方法と呼ぶ）の計測
概念を第２図を用い以下に説明する。

光源からパルス光（パルス幅Tw,パルス周期Tp）をセ
ンサ用光ファイバに導くと、該光ファイバ内でアンチス
トークス光やストークス光等の後方散乱光（反射光）が
励起され、その一部は計測装置に戻る。この反射光をパ
ルス光入射時刻をｔ＝０とし、サンプリング時間間隔Ts
で計測すると、アンチストークス光やストークス光の強
度の時間関数Ia（ｔ）,Is（ｔ）がサンプリング時間間
隔Tsの関数として求まる。このとき、これらの比Ia
（ｔ）/Is（ｔ）が純粋に温度の関数であること、及び
光パルス入射後、光ファイバ内の距離Ｘの位置で発生し
た反射光が光パルス入射端（反射光光計測部）に戻って
くるまでの時間が２×X/Coであること（Co;光ファイバ
中の光速）を利用すると、光ファイバの沿った線状の温
度分布が測定できる。

なお、反射光が計測される時間幅Trは２×L/Coであり
（L;光ファイバ長さ）、この時間はTr内の計測値が有効
な温度分布情報を与える。

次に、第３図を用いて、ラマン式温度センサの概要を
説明する。

このラマン式温度センサは、計測装置10とセンサ用光
ファイバ20から構成される。光源２からパルス光をセン
サ用光ファイバ20に導くと、該光ファイバ内で後方散乱
光（反射光）が励起され、励起された反射光の一部は計
測装置10側に戻り、光分岐器31、光ファイバ22を介し
て、光分岐器32に導かれる。

光分岐器32で二分された反射光のうち、光ファイバ23
aに導かれたものは、アンチストークス光用の光学フィ
ルタ4a,受光器5a及び平均化処理回路6aで構成されるア
ンチストークス光用OTDR計測回路30aに入り、この光強
度からアンチストークス光強度の時間関数Ia（ｔ）が求
められる。他方、光分岐器32で二分された後方散乱光の
うち、光ファイバ23sに導かれたものは、ストークス光
用の光学フィルタ4s,受光器5s及び平均化処理回路6sで
構成されるストークス光用OTDR計測回路30sに入り、こ
の光強度からストークス光強度の時間関数Is（ｔ）が求
められる。パルス光源２と平均化処理回路6a,6sの同期
合せは、トリガ回路１の同期信号によって行い、反射光
のサンプリングは平均化処理回路6a,6s内で、第２図に
示す一定の時間間隔Tsで行われる。

得られた時間関数Ia（ｔ）及びIs（ｔ）を温度分布演
算回路７に入力し、Ia（ｔ）/Is（ｔ）の演算を行うこ
とにより、センサ用光ファイバに沿った線状温度分布測
定を行っている。

また、平均化処理回路６は、第４図に示すように、A/
D変換回路61、加算器62、メモリ回路63、同期回路64か
ら構成される。平均化処理は以下のようにして行う。

受光器５から入力されたアナログ量をA/D変換回路61
でディジタル量に変換し、そのディジタル量とメモリ回
路63に記憶されたディジタル量との和を加算器62で同
い、その結果を再び、メモリ回路63に記憶する。この操
作をパルス周期Tpごとに、繰返し行い、最終的にメモリ
回路63に記憶された値を繰返し回数で割ると、入力情報
の平均値が求まる。この平均化処理を行うと、入力情報
に含まれたノイズが除去されるため、温度測定精度は向
上する。

また、A/D変換回路61、加算器62、メモリ回路63の同
期合わせは同期回路64によって行われている。

このラマン式温度センサは、例えば電力ケーブルに沿
わせてセンサ用光ファイバを敷設することにより、電力
ケーブルの長手方向の温度分布を知ることができ、送電
容量の制御等に利用したり、ケーブルの劣化等により生
じる部分的に温度の高い箇所の検知等が行える。また、
ビルやトンネル等の火災検知用として使用すれば、火災
発生位置の標定を行うこともできる。

［発明が解決しようとする課題］ ラマン式温度センサあるいはレーリ式温度センサは上
述した方法で線状の温度分布が測定できる有望な方式で
あるが、後方散乱光が微弱なため、外部ノイズの影響を
受け易く、この影響を除去するため、平均化処理回路で
は、数万から数百万回繰返し計測を行っている。しか
し、この方法ではランダムなノイズは除去できるもの
の、平均化処理回路等で発生するサンプリング周期に同
期した周期性ノイズは除去できず、測定精度にある限界
を与えていた。

この周期性ノイズをハード的に除去するには各構成回
路の電源回路やアース回路を独立し、かつ、各素子間の
シールド対策等を強固に行えばよいが、各構成回路や素
子数が膨大な量であるため、装置全体が大形となり、か
つ、高価なものとなるという欠点がある。従って、周期
性ノイズをハード的に除去して、計測精度を向上させる
方式は、経済性とコンパクト性の面から限界があった。

本発明の目的は、従来技術の欠点を改善し、計測精度
を向上させ、かつ、安価な光ファイバ式分布形温度計測
方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、計測系内の光源からセンサ用光ファイバに
光パルスを入射させ、該ファイバで発生する後方散乱光
で形成される反射光を計測系に導き、該反射光を平均化
処理することによりランダムノイズを除去した測定値か
ら光ファイバの温度を求め、光パルスの入射光時刻と反
射光が計測系へ到達する時刻の差から後方散乱光の発生
位置を求めることにより、温度と位置を同時計測し、該
光ファイバの温度分布を計測するに当り、光パルスがセ
ンサ用光ファイバを往復伝搬する時間より計測時間を長
くし、該計測時間内において、後方散乱光が観測されな
い時間領域の計測値を平均化処理することによりランダ
ムノイズを除去して周期性ノイズを求め、後方散乱光が
観測される時間領域の計測値から、求めた周期性ノイズ
を除去することにより、計測系内で発生する周期性のノ
イズを除去し、真の後方散乱光のみを検出して光ファイ
バの温度分布を計測することを特徴とする光ファイバ式
分布形温度計測方法にある。

［作用］ 計測系を構成する温度計測装置内で発生する周期性ノ
イズは、トリガ回路、パルス光源、平均化処理回路内で
発生したノイズの内、サンプリング周期に同期したもの
が、平均化処理回路内のA/D変換回路の入力部へ回り込
んだものである。このため、周期性ノイズは信号の有無
に無関係に発生し、サンプリング周期に同期したノイズ
であるため、平均化処理回数を増しても、除去できない
ものである。

しかし、この温度測定装置内で発生する周期性ノイズ
は計測時間内において、反射光が観測される時間領域と
観測されない時間領域のいずれでも、連続な周期関数と
して含まれているため、反射光が観測されない時間領域
の計測値から求めた周期性ノイズを、後方散乱光が観測
される時間領域の計測値から除去することによって、温
度計測装置内で発生する周期性ノイズの影響を無くすこ
とができる。

従って、温度計測装置内で発生する周期性ノイズ対策
をハード的に行うこと無しに、温度計測精度を大幅に向
上させることができる。

［実施例］ 以下、本発明による光ファイバ式分布形温度センサの
実施例を第３図及び第１図により説明する。本実施例に
よる光ファイバ式分布形温度センサの基本概念及び構成
は、従来のものとほぼ同じであり、異なる点は温度分布
を計測する時間を、光パルスがセンサ用光ファイバを往
復伝搬する時間より長くした点にある。

即ち、計測装置10内のパルス光源２から出射されたパ
ルス幅Tw,パルス周期Tpの光は光ファイバ21、光分岐器3
1を介し、センサ用光ファイバ20に導かれ、該光ファイ
バ内で後方散乱光を励起し、この一部は反射光となって
計測装置10側に戻り、光分岐器31、光ファイバ22を介し
て、光分岐器32に入り、ここで二分される。二分された
光の一方は、光ファイバ23aを介して、アンチストーク
ス光用の波長分離手段たる光学フィルタ4a,受光器5a及
び平均化処理回路6aで構成されるアンチストークス光用
OTDR計測回路30aへ入る。他方の光は、光ファイバ23sを
介して、ストークス光用の波長分離手段たる光学フィル
タ4s,受光器5s及び平均化処理回路6sで構成されるスト
ークス光用OTDR計測回路30sに入る。

両OTDR計測回路30a,30s内において、光分岐器32から
の光は、光フィルタ4a,4sでそれぞれの波長領域の光の
みが透過された後、受光器5a,5sに入り、それぞれの光
強度情報に応じた電気的なアナログ信号に変換される。
受光器5a,5sから出力される光強度の電気信号は平均化
処理回路6a,6sに入力され、受光器出力の平均値S1
（ｔ）として出力される。

正確には、受光器5a,5sの出力は、平均化処理回路6a,
6s内でそれぞれ一定の時間間隔Tsでサンプリングされ、
平均化処理されて、アンチストークス光強度の時間関数
Ia（ｔ）とストークス光強度の時間関数Is（ｔ）とが求
められる。つまり、上記した受光器出力の平均値S1
（ｔ）は、説明の便宜上、上記時間関数Ia（ｔ）,Is
（ｔ）の各々を一般性をもたせて表現したものである。

得られた時間関数Ia（ｔ）及びIs（ｔ）の情報は、温
度分布演算回路７に入力されて、Ia（ｔ）/Is（ｔ）の
演算が行われ、センサ用光ファイバ20に沿った線状温度
分布が求められる。

ここで光パルスはセンサ用光ファイバ20を往復伝搬す
る時間Trより、計測時間が長く（パルス周期Tpと同時
か、これ以下）されており、受光器5a,5sに反射光を入
力しない時間領域で周期性ノイズSn（ｔ）を検出すれ
ば、真の反射光強度S0（ｔ）を求めることができる。

即ち、計測時間内においては、周期性ノイズSn（ｔ）
は、その周期性から一様に発生しているため、後方散乱
光が観測されない領域（Tn1,Tn2）でも、後方散乱光が
観測される領域（時間;Tr）でも、連続な周期関数とし
て観測される。この周期性を利用し、まず後方散乱光が
観測されない領域（Tn1,Tn2）から周期性ノイズSn
（ｔ）を周期関数として求め、次に、後方散乱光が観測
される領域（時間;Tr）の計測値から、先に求めた周期
関数（周期ノイズＳ（ｔ））を除去することにより、温
度計測装置内で発生する周期性ノイズを除去することが
できる。尚、この周期性は、温度計測装置内の規則性
（例えば、加算器を並列使用時には、この並列使用台数
とサンプリング時間の積が一周期となる）から定まる。

上記実施例では、後方散乱光として、ラマン散乱光を
主体に説明したが、レーリ散乱光を用いても、或いはこ
れらの組み合わせを用いても、本発明の原理はそのまま
適用できる。

［発明の効果］ 本発明によれば、以下の顕著な効果を奏することがで
きる。

（１）温度分布を計測する時間を、光パルスがセンサ用
光ファイバを往復伝搬する時間より長くすることにより
後方散乱光を観測する時間と観測しない時間に区分して
計測を行い、後者の計測値から、温度計測装置内で発生
する周期性ノイズを検出し、検出された周期性ノイズを
前者の計測値から差引くことにより、真の後方散乱光の
みを検出できるため、温度測定精度のよい光ファイバ一
式分布形温度センサを実現できる。

（２）本手法を用いれば、従来の測定装置を殆ど変更す
ること無しに、目標機能を達成できるため、同一機能装
置に比較すると、装置はコンパクトとなり、且つ、安価
な装置となる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の計測方法の説明図、第２図は先に提案
されている計測概念の説明図、第３図は本発明の及び先
に提案された方法を適用した光ファイバ式分布形温度セ
ンサ構成例を示す図、第４図はその平均化処理装置の構
成例を示す図である。 図中、２はパルス光源、4s,4aは光学フィルタ、5s,5aは
受光器、6s,6aは平均化処理回路、７は温度分布演算回
路、８は光スイッチ、10は計測装置、20はセンサ用光フ
ァイバ、21,22,23s,23aは光ファイバ、30sはストークス
光用OTDR計測回路、30aはアンチストークス光用OTDR計
測回路、31,32は光分岐器を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−80176（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−73745（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−270632（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−75810（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】計測系内の光源からセンサ用光ファイバに
   光パルスを入射させ、該ファイバで発生する後方散乱光
   で形成される反射光を計測系に導き、該反射光を平均化
   処理することによりランダムノイズを除去した測定値か
   ら光ファイバの温度を求め、光パルスの入射光時刻と反
   射光が計測系へ到達する時刻の差から後方散乱光の発生
   位置を求めることにより、温度と位置を同時計測し、該
   光ファイバの温度分布を計測するに当り、光パルスがセ
   ンサ用光ファイバを往復伝搬する時間より計測時間を長
   くし、該計測時間内において、後方散乱光が観測されな
   い時間領域の計測値を平均化処理することによりランダ
   ムノイズを除去して周期性ノイズを求め、後方散乱光が
   観測される時間領域の計測値から、求めた周期性ノイズ
   を除去することにより、計測系内で発生する周期性のノ
   イズを除去し、真の後方散乱光のみを検出して光ファイ
   バの温度分布を計測することを特徴とする光ファイバ式
   分布形温度計測方法。