JP2650417B2 - Distributed optical fiber temperature sensor and temperature measuring method - Google Patents

Distributed optical fiber temperature sensor and temperature measuring method

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JP2650417B2
JP2650417B2 JP1120478A JP12047889A JP2650417B2 JP 2650417 B2 JP2650417 B2 JP 2650417B2 JP 1120478 A JP1120478 A JP 1120478A JP 12047889 A JP12047889 A JP 12047889A JP 2650417 B2 JP2650417 B2 JP 2650417B2
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耕司 井川
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/12Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in colour, translucency or reflectance

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、分布型光ファイバー温度センサーおよび温
度測定方法に係り、特に温度分解能及びS/N比を改善し
た分布型光ファイバー温度センサーおよび温度測定方法
に関するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a distributed optical fiber temperature sensor and a temperature measuring method, and more particularly to a distributed optical fiber temperature sensor and a temperature measuring method with improved temperature resolution and S / N ratio. It is about.

[従来の技術] 従来の分布型光ファイバー温度センサーのブロック図
を第4図に示す。光源部のレーザーパルサー10から発振
したレーザーパルスは、被測定用の光ファイバー12へ入
射され、光ファイバー12中で発生したラマン散乱光が入
射端へ戻ってくる。該ラマン散乱光は光方向性結合器11
により測定装置へ導光され、まずフィルター13によりラ
マン散乱光中のストークス光と反ストークス光が分離検
出され、各々光電変換部14、14′でその強度に比例した
電気信号に変換される。該電気信号は各々プリアンプ1
5、15′により増幅され、アベレージャー16にて所定回
数平均化処理がなされる。平均化処理された信号は信号
処理部17へ伝送され、ストークス光と反ストークス光の
信号の比をとり、温度分布への換算等の処理がなされ
る。ここで、温度分解能とS/N比とは密接な関係があ
り、温度分解能を高めるにはS/N比の改善が必須である
ことが知られている。通常、アベレージャーにおいて、
210〜216回の測定結果の加算平均をとることによりS/N
比を改善している。加算回数の上限は測定時間と、回路
上の制約、構成部品の汎用性から216回となっている。
[Prior Art] FIG. 4 shows a block diagram of a conventional distributed optical fiber temperature sensor. The laser pulse oscillated from the laser pulser 10 of the light source unit is incident on the optical fiber 12 to be measured, and the Raman scattered light generated in the optical fiber 12 returns to the incident end. The Raman scattered light is transmitted to the optical directional coupler 11.
The Stokes light and the anti-Stokes light in the Raman scattered light are separated and detected by the filter 13 and converted into electric signals proportional to the intensity by the photoelectric converters 14 and 14 ', respectively. The electrical signals are
The signal is amplified by 5 and 15 ', and is averaged by the averager 16 a predetermined number of times. The signal subjected to the averaging process is transmitted to the signal processing unit 17, where the ratio of the signal of the Stokes light to the signal of the anti-Stokes light is calculated, and a process such as conversion into a temperature distribution is performed. Here, there is a close relationship between the temperature resolution and the S / N ratio, and it is known that an improvement in the S / N ratio is essential to increase the temperature resolution. Usually, in the averager,
2 10 by taking the arithmetic mean of ~ 2 16 measurements results S / N
The ratio has improved. The upper limit of the number of additions and the measurement time, restrictions on the circuit, and has a 2 16 times the versatility of the components.

[発明の解決しようとする課題] 従来は、アベレージ回数(216回)によりS/N比の改善
率に限界があった。従って、更に高分解能化を実現する
には特殊な高感度ファイバーを用いるか、レーザーパル
スの入射パワーを増加させる必要があった。前者はコス
ト高となり、また汎用性の通信用光ファイバーが使える
という分布型光ファイバー温度センサーのメリットが失
われる。後者については、パルス幅が大きくなり、その
ためパルス幅に比例する距離分解能を犠牲にしてしまう
という問題があった。
[SUMMARY OF THE INVENTION] Conventionally, there is a limit to the improvement of the S / N ratio by average count (2 16 times). Therefore, in order to realize higher resolution, it is necessary to use a special high-sensitivity fiber or to increase the incident power of the laser pulse. The former is costly and loses the advantages of a distributed fiber optic temperature sensor that allows the use of versatile communication optical fibers. In the latter case, there is a problem that the pulse width becomes large, so that the distance resolution proportional to the pulse width is sacrificed.

[課題を解決するための手段] 本発明は、前述の問題点を解決すべくなされたもので
あり、被測定光ファイバーへレーザーパルスを入射する
光源部と、被測定光ファイバーからのラマン散乱光を測
定装置へ導光する光方向性結合器と、ラマン散乱光中の
ストークス光と反ストークス光を分離するフィルター
と、ストークス光と反ストークス光を各々強度に比例し
た電気信号に光電変換する光電変換部と、該光電変換部
よりの電気信号を所定回数平均化処理する平均化処理部
と、所定回数平均化処理されたデータをn個(nは2以
上の整数)記憶するメモリと、前記n個のデータを用い
て重みつき移動平均化処理を行う信号処理部とよりなる
ことを特徴とする分布型光ファイバー温度センサー、お
よび光源部より発振したレーザーパルスを被測定光ファ
イバーへ入射し、被測定光ファイバーからのラマン散乱
光を光方向性接合器により測定装置へ導光し、該ラマン
散乱光に含まれるストークス光と反ストークス光をフィ
ルターにより分離し、該ストークス光と反ストークス光
を各々光電変換部により強度に比例した電気信号に変換
し、該電気信号を平均化処理部により所定回数平均化処
理し、平均化処理されたデータをn個(nは2以上の整
数)メモリに記憶し、前記n個のデータを用いて信号処
理部により重みつき移動平均化処理を行うことを特徴と
する温度制御方法を提供するものである。
[Means for Solving the Problems] The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and a light source unit for injecting a laser pulse into an optical fiber to be measured and a Raman scattered light from the optical fiber to be measured are measured. An optical directional coupler that guides light to the device, a filter that separates Stokes light and anti-Stokes light in Raman scattered light, and a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts the Stokes light and anti-Stokes light into electric signals proportional to their respective intensities An averaging unit for averaging the electric signal from the photoelectric conversion unit for a predetermined number of times, a memory for storing n (n is an integer of 2 or more) data subjected to the averaging processing for a predetermined number of times, A distributed optical fiber temperature sensor characterized by comprising a signal processing unit that performs weighted moving averaging using the data of The Raman scattered light from the optical fiber to be measured is guided to the measuring device by the optical directional splicer, and the Stokes light and the anti-Stokes light included in the Raman scattered light are separated by a filter. And the anti-Stokes light are each converted into an electric signal proportional to the intensity by a photoelectric conversion unit, and the electric signal is averaged a predetermined number of times by an averaging processing unit, and the averaged data is n (n is 2 or more) The temperature control method is characterized in that the data is stored in a memory and a weighted moving average process is performed by a signal processing unit using the n data.

[作用] まず、システムは連続的にアベレージングサイクルを
繰り返すとする。今、光ファイバーの熱容量をCF、測定
対象の熱容量をCMとすると、高感度の分布型光ファイバ
ー温度センサーが成立する条件は、CF<<CMである。光
ファイバーから測定対象への熱抵抗をRFMとし、時系列
においてステップ状の温度変化があったとすると、時定
数τ=RFM・CFにて規定される過渡熱応答が起こる。但
し、光ファイバーケーブルとコアの温度差は常に無視で
きるとする。従って、システムは上記過渡熱応答以上の
リアルタイム性は要求されない。今、ステップ状の温度
変化量をTとし、該変化量Tの63%に達するまでの所定
時間即ち時定数をτ=RCとし、1サイクルのアベレー
ジ処理、例えば216回に要する時間をT0とすると、T0
<CRならば、過去のアベレージデータの重み付き移動平
均を利用してS/N比の改善を図ることができる。即ち、
重み係数K1,・・・・,Kn(0<Ki≦1),アベレージデ
ータA1,・・・,Anとすると、重み付き移動平均は、 であり、S/N比の改善率は のとき最大でSNI=3×Log2n(dB)となる。
[Operation] First, it is assumed that the system continuously repeats the averaging cycle. Now, assuming that the heat capacity of the optical fiber is C F and the heat capacity of the object to be measured is C M , the condition for establishing a highly sensitive distributed optical fiber temperature sensor is C F << C M. The thermal resistance from the optical fiber to be measured and R FM, when assuming that there is a stepwise change in temperature in the series, the transient thermal response is defined by a time constant τ = R FM · C F occurs. However, it is assumed that the temperature difference between the optical fiber cable and the core can always be ignored. Therefore, the system is not required to have real-time performance beyond the transient thermal response. Now, the temperature variation of the shaped steps is T, the predetermined time or time constant to reach 63% of the variation amount T as tau 1 = RC, 1 cycle averaging process, for example, the time required for 2 16 times T 0 and when, T 0 <
If <CR, the S / N ratio can be improved using a weighted moving average of past average data. That is,
Weighting coefficients K 1, ····, K n ( 0 <K i ≦ 1), average data A 1, · · ·, When A n, moving average weighted, And the improvement ratio of the S / N ratio is At the maximum, SNI = 3 × Log 2 n (dB).

また、通常重みつき移動平均化処理を行うためには、
n個のデータA1〜Anを格納するメモリが必要となるが、
以下の操作によりメモリの容量を減らすこともできる。
上記式及びK1=K2=・・・=Knという条件より、 であり、最新のアベレージデータAによって次の重みつ
き移動平均は、 であり、前提条件として重み係数K1〜Knが等しく、急激
な温度変化がないとき、AMA≒A1とでき、よってA′MA
となる。即ち、現在の結果AMAを(n−1)/n倍し、最
新のデータAを1/n倍して加算し、この結果A′MAを新
たにAMAとして書き換えれば、この処理以降のメモリは
1個分ですむ。
In addition, in order to perform the normal weighted moving average processing,
A memory for storing n data A 1 to An is required,
The following operation can also reduce the capacity of the memory.
From the above equation and the condition that K 1 = K 2 =... = K n , And the next weighted moving average by the latest average data A is , And the time weight factor K 1 ~K n equals, no rapid temperature change as a prerequisite, can the A MA ≒ A 1, thus A 'MA
Is Becomes That is, if the current result A MA is multiplied by (n-1) / n, the latest data A is multiplied by 1 / n and added, and the result A ′ MA is newly rewritten as A MA , and Only one memory is needed.

[実施例] 第1図は、本発明の1実施例であって1は光源部のレ
ーザーパルサー、2は音響光学素子等の光方向性結合
器、3は被測定用の光ファイバー、4は反ストークス光
とストークス光を分離するフィルターであり、通常誘電
体多層膜を設けた透明媒体又は回折格子にて構成され
る。5,5′はフォトダイオード等の光電変換部、6,6′は
プリアンプ、7はエベレージャー、8はアベレージデー
タを記憶するメモリ、9は信号処理部である。8はハー
ドディスクのような外部補助記憶装置でもよいが、アク
セスタイムの点からSRAMまたはDRAMが好ましい。n個分
のメモリには過去n個のアベレージデータが記憶されて
おり、最も古いデータが最新のデータに書き換えられ
る。
Embodiment FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, in which 1 is a laser pulsar of a light source unit, 2 is an optical directional coupler such as an acousto-optic element, 3 is an optical fiber to be measured, and 4 is an optical fiber. It is a filter for separating Stokes light from Stokes light, and is usually formed of a transparent medium or a diffraction grating provided with a dielectric multilayer film. 5, 5 'are photoelectric conversion units such as photodiodes, 6, 6' are preamplifiers, 7 is an averager, 8 is a memory for storing average data, and 9 is a signal processing unit. Reference numeral 8 may be an external auxiliary storage device such as a hard disk, but is preferably SRAM or DRAM in terms of access time. The past n average data are stored in the n memories, and the oldest data is rewritten with the latest data.

この場合、以下の操作によりメモリ8の容量を減らす
こともできる。例えば、AMA=K(A1+A2+・・・+
A10),K=0.1とすると、最新のアベレージデータAによ
って重みつき移動平均は、 A′MA=(0.1A1+0.1A2+・・・+0.1A10) −0.1A1+0.1A であり、前提条件として重み係数K1〜Knが等しく、急激
な温度変化がないとき、AMA≒A1とでき、よってA′MA
は A′MA=AMA−0.1A1+0.1A=0.9AMA+0.1A となる。即ち、現在の結果AMAを0.9倍し、最新のデータ
Aを0.1倍して加算し、この結果A′MAを新たにAMAとし
て書き換えれば、メモリは1個分にすることができる。
In this case, the capacity of the memory 8 can be reduced by the following operation. For example, A MA = K (A 1 + A 2 + ... +
A 10), when the K = 0.1, weighted moving average with the latest average data A, A 'MA = (0.1A 1 + 0.1A 2 + ··· + 0.1A 10) -0.1A 1 + 0.1A , and the time weight factor K 1 ~K n equals, no rapid temperature change as a prerequisite, can the a MA ≒ a 1, thus a 'MA
Is the A 'MA = A MA -0.1A 1 + 0.1A = 0.9A MA + 0.1A. That is, if the current result A MA is multiplied by 0.9 and the latest data A is multiplied by 0.1 and added, and the result A ′ MA is newly rewritten as A MA , the memory can be reduced to one memory.

以下、本発明の一実施例の出力結果を参照しながら説
明する。室温(25℃)中に光ファイバーを起き、1100m
から1140m付近部分を70℃に加熱した状態で分布型光フ
ァイバー温度センサーシステムの温度出力を測定した。
第2図は216回アベレージ処理後の重みつき移動平均処
理を行わない温度分布出力結果である。
Hereinafter, description will be made with reference to the output result of one embodiment of the present invention. Raise optical fiber at room temperature (25 ℃), 1100m
The temperature output of the distributed optical fiber temperature sensor system was measured in a state where a portion around 1140 m from the above was heated to 70 ° C.
Figure 2 is a temperature distribution output is not performed weighted moving average processing after 2 16 times averaging process.

第3図は第2図と同一データについて、本発明の方法
で、アエレージデータ数を10、重み係数をすべて0.1,メ
モリを1個分とした温度出力結果である。第2図に比べ
て理論地10dB程度S/N比が改善されている。
FIG. 3 shows a temperature output result of the same data as in FIG. 2 using the method of the present invention, where the number of age data is 10, the weighting factors are all 0.1, and one memory is used. The S / N ratio is improved by about 10 dB in the theoretical area as compared with FIG.

なお、上記で設定したアベレージデータ数、重み係数
は測定環境、要求される精度、応答速度等のニーズに応
じて自由に調整可能であり、上記に限定されるものでは
ない。
Note that the number of average data and the weight coefficient set as described above can be freely adjusted according to needs such as a measurement environment, required accuracy, and response speed, and are not limited to the above.

[発明の効果] 本発明は、アベレージャーのS/N比改善率以上にS/N比
改善ができるという優れた特徴を有し、更に温度測定系
の過渡熱応答に応じて任意に重み係数やポイント数(前
述のnに相当)をプログラムすることができ、光ファイ
バー材質、レーザーパルサー、メモリ容量のハード面に
負荷をかけずにフレキシビリティーに富んだシステムを
構築できる。
[Effects of the Invention] The present invention has an excellent feature that the S / N ratio can be improved more than the S / N ratio improvement rate of the averager. The number of points (corresponding to n described above) can be programmed, and a flexible system can be constructed without imposing a load on the optical fiber material, the laser pulser, and the memory capacity.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図と、第3図は本発明の実施例を示し、第1図は本
発明の分布型光ファイバー温度センサーのブロック図
で、第3図は本発明測定方法によって処理された温度分
布データのグラフであり、第2図と第4図は従来例をな
し、第2図は従来方法によって処理された温度分布デー
タのグラフで、第4図は従来装置のブロック図である。 1……レーザーパルサー 3……光ファイバー 7……アベレージャー 8……メモリ 9……信号処理部
1 and 3 show an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a block diagram of a distributed optical fiber temperature sensor of the present invention, and FIG. 3 is a diagram of temperature distribution data processed by the measuring method of the present invention. FIGS. 2 and 4 show conventional examples, FIG. 2 is a graph of temperature distribution data processed by a conventional method, and FIG. 4 is a block diagram of a conventional apparatus. 1 laser pulsar 3 optical fiber 7 averager 8 memory 9 signal processing unit

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】被測定光ファイバーへレーザーパルスを入
射する光源部と、被測定光ファイバーからのラマン散乱
光を測定装置へ導光する光方向性結合器と、ラマン散乱
光中のストークス光と反ストークス光を分離するフィル
ターと、ストークス光と反ストークス光を各々強度に比
例した電気信号に光電変換する光電変換部と、該光電変
換部よりの電気信号を所定回数平均化処理する平均化処
理部と、所定回数平均化処理されたデータをn個(nは
2以上の整数)記憶するメモリと、前記n個のデータを
用いて重みつき移動平均化処理を行う信号処理部とより
なることを特徴とする分布型光ファイバー温度センサ
ー。
1. A light source unit for injecting a laser pulse into an optical fiber to be measured, a light directional coupler for guiding Raman scattered light from the optical fiber to be measured to a measuring device, Stokes light and anti-Stokes in the Raman scattered light A filter that separates light, a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts Stokes light and anti-Stokes light into electric signals that are each proportional to the intensity, and an averaging processing unit that averages the electric signal from the photoelectric conversion unit a predetermined number of times. A memory for storing n pieces of data (n is an integer of 2 or more) subjected to a predetermined number of times of averaging processing, and a signal processing unit for performing weighted moving averaging processing using the n pieces of data. A distributed optical fiber temperature sensor.
【請求項2】光源部より発振したレーザーパルスを被測
定光ファイバーへ入射し、被測定光ファイバーからのラ
マン散乱光を光方向性結合器により測定装置へ導光し、
該ラマン散乱光に含まれるストークス光と反ストークス
光をフィルターにより分離し、該ストークス光と反スト
ークス光を各々光電変換部により強度に比例した電気信
号に変換し、該電気信号を平均化処理部により所定回数
平均化処理し、平均化処理されたデータをn個(nは2
以上の整数)メモリに記憶し、前記n個のデータを用い
て信号処理部により重みつき移動平均化処理を行うこと
を特徴とする温度測定方法。
2. A laser pulse oscillated from a light source section is incident on an optical fiber to be measured, and Raman scattered light from the optical fiber to be measured is guided to a measuring device by an optical directional coupler.
The Stokes light and the anti-Stokes light included in the Raman scattered light are separated by a filter, the Stokes light and the anti-Stokes light are respectively converted into electric signals proportional to the intensity by a photoelectric conversion unit, and the electric signals are averaged. A predetermined number of averaging processes are performed by
A temperature measurement method, wherein the temperature is stored in a memory and a weighted moving average process is performed by a signal processing unit using the n pieces of data.
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