JP2644328B2 - 光ファイバ式分布形温度計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、温度センサ、特に光ファイバ式分布形温度
計測装置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測定装置は、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 Reflectry）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測定
装置（以下、単にラマン式温度測定装置と呼ぶ）の計測
概念を第６図を用いて以下に説明する。

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
ストークス光の光強度の時間関数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。

尚、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５図を用いて、ラマン式温度測定装置の概要
を説明する。

この温度測定装置は、計測装置10とセンサ用光ファイ
バ20から構成される。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（第６図
（ａ））、光ファイバ21、光分岐器31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
（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及び平均化処理装置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。同様にして、ストークス光強度の時間関数Is
（ｔ）はストークス光用OTDR計測回路30sで求められ
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。

パルス光源２と平均化処理装置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
ングは平均化処理装置6a,6s内で、第６図に示す一定の
時間間隔Tsで行われる。

尚、受光器５は受光感度を高めるため、通常はAPD
（アバァランス フォトダイオード）と増幅器の組み合
わせ回路を用いている。

このラマン式温度計測装置は、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なえる。
又、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。

ところが、一般に入射パルス光１回で生じるラマン散
乱光は微弱で、しかもその放出には確率要素が含まれる
一方、ファイバ中のランダムな雑音光や、受光器，増幅
器，演算回路での雑音等は大きい。

従って、ラマン後方散乱光の時間（距離）分布を正確
に計測するには、パルス光を多数回繰り返し入射し、こ
れと同期したあるいはサンプリングタイミング毎の受光
信号の平均化処理（そのタイミングでの受光信号を積算
し、あるいは積算値をパルス印加回数で除去する）を平
均化処理装置6a,6sで行い、ランダムに発生する雑音成
分を平均的にゼロに近付け、相対的にラマン散乱光を明
確にするという手法が取られている。これを平均化処理
という。

尚、ランダムな雑音の平均値は、あるサンプリングタ
イミングでの多数回の雑音を平均しても、また長時間の
雑音の時間平均をとっても、数学的に同じ意味での平均
値となることは明らかである。

［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等の
光ファイバ式分布形温度計測装置は、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、いずれ
も微弱な散乱光を信号として用いるため、第７図に示す
ように、受光器５にはAPD等の高感度の光／電気（O/E）
変換素子51並びに高感度の増幅器52が必要となる。又、
これら直流から高周波まで忠実に増幅する必要性から直
流結合回路が基本となる。

しかし、交感度の直流増幅器では、そのオフセット電
圧は温度の影響を受け易く、周囲温度が変わる毎に、最
適なオフセット電圧となるように電圧調整することが必
要となる。この様な観点から、通常、直流増幅器を用い
る場合には、第７図に示すようにAGC回路を設けて直流
増幅器52の出力電圧をモニタし、入力情報が無いときの
電圧が零になるようにするAZC（オート ゼロ コント
ロール）等を施している。

しかし、前述したように光ファイバ式分布形温度計測
装置は、非常に微弱な後方散乱光を信号としているた
め、信号よりノイズの方が大きく、増幅器出力電圧をモ
ニタして受光感度を調整することは難しいこと、後述の
ように最適なオフセット電圧に選定しないと、平均化処
理によりノイズをうまくキャンセルできないことから、
計測毎に手動でこの調整を行っているのが現状である。

従って、光ファイバ式分布形温度計測装置で自動計測
を行うには、オフセット電圧が一定になるように、受光
器全体を高精度の恒温槽内に設置する等の対策が必要で
あり、装置が大型で高価なものとなるという欠点があっ
た。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を改善し、
自動計測ができ、且つ安価で小型の光ファイバ式分布形
温度計測装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の光ファイバ式分布形温度計測装置は、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、該ファイバ内に発生する後方散乱光で形成される反
射光を該計測系に導き、これら反射光の受光器からの光
強度を平均化処理装置でサンプリングして時間平均をと
り、その値から光ファイバの温度を求めると共に、光パ
ルスの入射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、センサ用光ファイバの温度分布を計測
する光ファイバ式分布形温度計測装置において、一巡の
平均化処理が終了する毎に、平均化処理装置で得られた
散乱光の観測されない時間領域における反射光強度の平
均化処理値を取り出す演算手段と、この取り出された平
均化処理値により上記受光器を構成する増幅器のオフセ
ット電圧が適正か、不足か、過大かを場合分けし、不足
の場合にはオフセット電圧を大きくし、過大の場合には
オフセット電圧を小さくして、次回の一巡の平均化処理
における散乱光が観測されない時間領域での受光器出力
電圧が平均化処理装置の入力部のダイナミックレンジ以
内となるように制御する制御回路とを設けて構成したも
のである。

［作用］ 平均化処理装置は、受光器からの反射光強度をサンプ
リングしその平均化処理を行う。この値から光ファイバ
の温度が求められる。演算手段は、一巡の平均化処理が
終了する毎に、平均化処理装置で求められた散乱光の観
測されない時間領域における反射光強度の平均化処理値
（サンプリングタイミング毎の一連の平均値）を演算し
て取り出し、これを制御回路に入力する。制御回路で
は、平均化処理値により上記受光器を構成する増幅器の
オフセット電圧が適正か、不足か、過大かを場合分けす
る。オフセット電圧が不足の場合にはオフセット電圧を
大きくし、過大の場合にはオフセット電圧を小さくす
る。これにより、次回の一巡の平均化処理において、受
光器の出力電圧が、散乱光の観測されない時間領域で
は、平均化処理装置の入力部のダイナミックレンジ以内
となるように制御される。

この受光器のオフセット電圧制御によって、受光器を
直流増幅器で構成した場合でも、高精度の恒温槽を設置
することなしに、受光器のオフセット電圧を最適値に自
動調整することができ、安価，小型の光ファイバ式分布
形温度計測装置を提供することができる。

［実施例］ 以下、本発明による光ファイバ式分布形温度計測装置
の実施例を、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計測装置の基
本概念及び構成は、第５図及び第６図に示す従来例とほ
ぼ同じであり、異なる点は、アンチストークス光用OTDR
計測回路30aとストークス光用OTDR計測回路30sを、第１
図に示す如く、オートオフセット電圧制御器８即ちAOVC
（Auto Offset Voltage Controll）制御器を追加した構
成のOTDR計測回路30に変更したことである。AOVC制御器
８は、受光器５の温度が変動しても、受光器５内の直流
増幅器52のオフセット電圧を最適値に制御するために設
置したものであり、その概念に付いて以下説明する。

平均化処理装置６で求められた一巡の平均化処理値
は、温度分布演算回路７に入力され、ここで温度分布を
演算するが、この演算と同時に、散乱光の観測されない
時間領域における反射光強度の平均化処理値を演算し
て、受光器５内の直流増幅器52のオフセット電圧を推定
して適正なオフセット電圧値を試算し、この結果をAOVC
制御回路８に入力する。AOVC制御回路８はこのオフセッ
ト電圧値に応じ、散乱光が観測されない時間領域での受
光器５の出力電圧が、平均化処理装置６の入力部のダイ
ナミックレンジ以内となるように、増幅器52のオフセッ
ト電圧を制御する。

この手法を以下に詳述する。

今、入射光のない状態でのみかけ後方散乱光受光時あ
るいはパルス入射後でも温度計測の対象としない一定温
度の手前のセンサファイバからの後方散乱光受光時（後
述の第４図の時間領域Ａ）とか、もはや後方散乱光が戻
ってこない時間後でのみかけの後方散乱光受光時（第４
図の時間領域Ｃ）を検出する状態とする。

第２図はオフセット電圧Ｖ0とノイズレベルＶNの関係
を図示したものであり、縦軸にはノイズ電圧を、横軸に
は時間をとってある。第２図（ａ）の適正なオフセット
電圧の場合、即ち、平均化処理装置６の入力部のダイナ
ミックレンジＶD内にノイズレベルＶNが入っている場合
には、ノイズも忠実に平均化処理装置６に入力され、こ
こで各タイミング毎に平均化されるため、ノイズの平均
値を無視できる程度に低減でき、平均化処理装置の出力
電圧はほぼオフセット電圧となる。

しかし、オフセット電圧Ｖ0が不足している場合（第
２図（ｂ））、オフセット電圧Ｖ0が過大な場合（第２
図（ｃ））には、ノイズ電圧の片極性の一部がダイナミ
ックレンジＶDから外れるため（ハッチング部分）、ノ
イズを平均化するとハッチング部分の逆極性部分が相殺
できずに残り、平均化処理してもノイズの影響を低減で
きない。尚、証明簡略化のためノイズは三角函数の如く
表示したが、現実には振動，位相，周波数がランダムに
組合わされたノイズである。

従って、オフセット電圧Ｖ0は第２図（ａ）のように
適正な値に設定すべきであるが、ノイズは絶えずランダ
ムに変動しているため、自動的にオフセット電圧Ｖ0を
適正な値に設定することは難しく、以下の方法でその調
整を行う。

第３図は、光信号が無いときのオフセット電圧Ｖ0と
平均化処理装置６の出力電圧Ｖ2との関係を示したもの
である。第２図の（ａ），（ｂ），（ｃ）に示したオフ
セット電圧Ｖ0の変化に対応して、平均化処理装置出力
電圧Ｖ2は変化し、オフセット電圧Ｖ0が適正な範囲（第
３図の範囲（ａ））ではその出力電圧Ｖ2がほぼオフセ
ット電圧Ｖ0と一致するが、この範囲を外れると（第３
図の（ｂ），（ｃ）の範囲）、ノイズ分が残り、出力電
圧Ｖ2が急激にオフセット電圧Ｖ0と異なる値となるの
で、この点に着目して制御することになる。

第４図は、平均化処理装置６で求められた後方散乱光
を平均化処理した後の信号（平均化処理装置の出力電圧
Ｖ2）の例である。時間領域Ａは、入射光のない状態で
のみかけ後方散乱光受光時あるいはパルス入射後でも温
度計測の対象としない一定温度の手前のセンサファイバ
からの後方散乱光受光時の部分であり、時間領域Ｂは後
方散乱光が戻って来ている部分であり、時間領域Ｃはも
はや後方散乱光が戻ってこない時間後でのみかけの後方
散乱光相当部分である。本発明ではこれらの信号のう
ち、光信号が実質的に戻ってこない時間領域Ａあるいは
Ｃの部分の信号を用いて、オフセット電圧を制御する。

ここでは、例として時間領域Ｃの部分を用いる場合の
制御内容を以下に示す。

第４図中で、オフセット電圧Ｖ0が第３図の（ａ）の
範囲にあれば適正で、第４図の時間領域Ｃにおける時間
平均の出力電圧Ｖ2はほぼオフセット電圧Ｖ0に一致し、
ノイズの影響ＶNは最小となっている。この場合には、A
OVC制御回路８によるオフセット電圧の変更は結果的に
行われない。

一方、第４図の時間領域Ｃにおいて時間平均の出力電
圧Ｖ2がオフセット電圧Ｖ0より大きい場合は、第３図
（ｂ）の範囲にあることになるので、残留するノイズ成
分ＶNが大きい。従って、AOVC制御回路８は、これに応
じた入力により増幅器52のオフセット電圧Ｖ0を大きく
する。逆に、時間平均の出力電圧Ｖ2がオフセット電圧
Ｖ0より小さい場合は、第３図（ｃ）の範囲にあるの
で、AOVC制御回路８はオフセット電圧Ｖ0を小さくす
る。

このように一巡の平均化処理が終了する毎に、AOVC制
御回路８を介してオフセット電圧Ｖ0を制御すると、次
回測定時の一巡の平均化処理では、適正な側のオフセッ
ト電圧となる。時間領域Ｃにおける時間平均Ｖ2とオフ
セット電圧Ｖ0との差や、オフセット電圧の調整幅は、
第３図を基準に予め設定しておくことができる。

尚、通常用いているAGC制御と本発明の上記実施例の
異なる点は、前者が常時出力電圧をモニタして制御する
のに対し、後者は、計測時には制御を行わずに、計測値
の平均値が求まった後に、その平均値を用いてオフセッ
ト電圧を調整し、次の計測を行うことにある。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例え
ば下記のように変形することもできる。

（１）第１図における、受光器５の出力電圧を適正な直
流フィルタ（直流のみ通過させ、一種の時間平均を求め
ることになる）を介してモニタし、予め求めた第３図の
関係を参照して適正なオフセット電圧（第３図（ａ））
になるように、オートオフセット電圧制御８を制御して
も、上記と同様な効果を上げることができる。

［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）計測後の後方散乱光の平均化処理値を用いて、受
光器を構成する増幅器のオフセット電圧を最適値に制御
するため、平均化処理回数を増加させることによりS/N
比を向上でき、各計測時に進入するノイズの影響を少な
くすることができる。

（２）上記理由により、受光器のオフセット電圧の自動
制御が可能となり、計測毎に手動で制御する必要がな
い。

（３）計測直前に最適な受光器のオフセット電圧に調整
されるため、増幅器等のオフセット電圧が温度で変化し
てもその影響を受けない。このため、恒温対策が不要と
なり、装置は小型で安価にできる。

（４）ノイズレベルを最小にできるため、S/N比が良く
なり高精度の計測が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光ファイバ式分布形温度測定装置
に用いる受光器のオートオフセット電圧自動制御系の回
路図、第２図はオフセット電圧Ｖ0とノイズレベルＶNと
の関係を示した図、第３図は光信号がないときのオフセ
ット電圧Ｖ0と平均化処理装置の出力電圧Ｖ2との関係を
示した図、第４図は平均化処理装置で求められた後方散
乱光の平均化処理した後の信号を例示した図、第５図は
従来例の光ファイバ式分布形温度測定装置の構成図、第
６図はその計測概念図、第７図は従来の受光器のオート
ゼロ制御系の回路図である。 図中、１はトリガ回路、２はパルス光源、4s,4aは光学
フィルタ、5,5s,5aは受光器、6,6s,6aは平均化処理装
置、７は温度分布演算回路、８はオートオフセット電圧
制御器、10は計測装置、20はセンサ用光ファイバ、21,2
2,23s,23aは光ファイバ、30sはストーク光用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、51はAPD、52は増幅器を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笹原 久一 茨城県日立市日高町５丁目１番１号 日 立電線株式会社電線研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−311127（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−13510（ＪＰ，Ａ)

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、該ファイバ内に発生する後方散乱
   光で形成される反射光を該計測系に導き、これら反射光
   の受光器からの光強度を平均化処理装置でサンプリング
   して時間平均をとり、その値から光ファイバの温度を求
   めると共に、光パルスの入射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、センサ用光ファイバ
   の温度分布を計測する光ファイバ式分布形温度計測装置
   において、一巡の平均化処理が終了する毎に、平均化処
   理装置で得られた散乱光の観測されない時間領域におけ
   る反射光強度の平均化処理値を取り出す演算手段と、こ
   の取り出された平均化処理値により上記受光器を構成す
   る増幅器のオフセット電圧が適正か、不足か、過大かを
   場合分けし、不足の場合にはオフセット電圧を大きく
   し、過大の場合にはオフセット電圧を小さくして、次回
   の一巡の平均化処理における散乱光が観測されない時間
   領域での受光器出力電圧が平均化処理装置の入力部のダ
   イナミックレンジ以内となるように制御する制御回路と
   を設けたことを特徴とする光ファイバ式分布形温度計測
   装置。