JP2885980B2 - 温度分布検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバ内の後方散乱
光を利用した温度分布検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバの後方散乱光を利用したセン
サでは、光ファイバに入射したレーザパルスによって光
ファイバ内の散乱光を励起することにより、励起散乱光
のスペクトルや強度、偏光等の状態に被散乱場所の温度
情報を含み、光ファイバ内の後方となる励起レーザパル
スの入射側に伝搬する後方散乱光を時系列信号として検
出処理することにより、光ファイバに沿った温度の一次
元分布を測定する。

【０００３】この場合、光ファイバ内にレーザパルスを
入射したとき発生する散乱光としては、密度揺らぎによ
るレーリー散乱光、伝搬性の揺らぎによるブリルアン散
乱光、分子の振動回転によるラマン散乱光がある。

【０００４】このうち、ブリルアン散乱光と、ラマン散
乱光は非弾性散乱光であり、励起光とスペクトルの異な
った散乱光となる。温度情報は３つの散乱光、すべてに
含まれているが、温度に対する感度が最も高いのはラマ
ン散乱光で、その強度が温度に依存して変化する。

【０００５】そして、ラマン散乱光を使用して温度を計
測する場合、波長が励起光より長波長側にシフトするス
トークスラマン散乱光と、短波長側にシフトするアンチ
ストークスラマン散乱光とをフィルタで選別し、２つの
散乱光の比を基本とした値から温度分布を算出してい
る。また、比を用いないまでも、フィルタで一方の散乱
光を選別する必要がある。

【０００６】この場合、フィルタとしては、誘電体多層
膜フィルタや金属膜フィルタ等が使用され、励起光のス
ペクトルからファイバ材料で決まる数十ｎｍのラマンシ
フトの波長だけ、ずれた散乱光を急峻なフィルタ特性で
選別しなければならない。

【０００７】したがって、フィルタのカット波長と、励
起レーザの発振波長の相対位置関係は周囲温度変化など
に対して安定している必要がある。もし、両者の関係が
変化した場合は、見かけ上の温度変化が零点変化やスパ
ン誤差の原因となる。

【０００８】また、工業的にこのようなセンサを生産す
るためには、上述したフィルタに対するレーザの発振波
長をレーザ単体毎のバラツキを補償して常にフィルタの
カット波長との相対位置関係を一定にする必要がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の温度分布検出装置においては、アンチストーク
スラマン散乱光と、ストークスラマン散乱光との比が本
来、温度の関数になるので、検出信号の変化が温度によ
るものなのか、レーザの発振波長によるものなのか判定
することができないため、レーザの発振波長とフィルタ
のカット波長との制御を行なっておらず、正確な温度分
布を測定することができないという問題があった。

【００１０】本発明は上記の事情に鑑み、レーザの発振
波長とフィルタのカット波長との関係を一定に制御する
ことができ、これによってレーザの発振波長変動に起因
する誤差を無くして高精度な温度分布測定を行なうこと
ができる温度分布検出装置を提供することを目的として
いる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明による温度分布検出装置は、測定用光ファイ
バの入出射端へ光信号を入射し、分波器によって前記光
信号が前記測定用光ファイバ内を進行する際に発生する
後方ラマン散乱光をアンチストークスラマン散乱光とス
トークスラマン散乱光との２つのラマン散乱光に選別
し、前記２つのラマン散乱光の前記入出射端への到着時
間と、その強度とに基づいて前記測定用光ファイバに沿
った温度分布を測定する温度分布検出装置において、前
記測定用光ファイバのうち、基準温度部分として指定さ
れている部分の温度を指定されている値にする基準温度
部と、前記分波器から出力される２つのラマン散乱光に
含まれる前記測定用光ファイバの基準温度部分から戻さ
れる２つのラマン散乱光を検出する基準散乱光検出部
と、この基準散乱光検出部によって検出された２つのラ
マン散乱光の比に基づいて発振温度制御信号を生成する
発振温度制御信号生成部と、この発振温度制御信号生成
部から出力される発振温度制御信号に基づいて前記光信
号を生成するレーザ光源の周囲温度を制御して前記光信
号の波長を制御する温度制御部とを備えたことを特徴と
している。

【００１２】

【作用】上記の構成において、基準散乱光検出部によっ
て分波器から出力される２つのラマン散乱光のうち、基
準温度部分からのラマン散乱光が検出されるとともに、
発振温度制御信号生成部によって前記基準散乱光検出部
で検出された２つのラマン散乱光の比に基づき発振温度
制御信号が生成され、温度制御部によって前記発振温度
制御信号生成部で得られた発振温度制御信号に基づき前
記光信号を生成するレーザ光源の周囲温度が制御されて
前記光信号の波長が制御される。

【００１３】

【実施例】図１は本発明による温度分布検出装置の一実
施例を示す構成図である。

【００１４】この図に示す温度分布検出装置はレーザ光
源部２と、方向性結合器３と、光ファイバ４と、基準温
度部５と、受光部６と、処理部７と、表示器８とを備え
ており、基準温度部５によって光ファイバ４の一部（基
準温度部分）を基準温度にしながら、レーザ光源部２か
らレーザ光を出射させてこれを方向性結合器３を介して
光ファイバ４内に導くとともに、前記方向性結合器３を
介して前記レーザ光の後方散乱光を取り出してこれを受
光部６に導いてアンチストークスラマン散乱光と、スト
ークスラマン散乱光とに分離して前記光ファイバ４が設
置されているエリアの温度分布に対応した２つの電気信
号を生成してこれを処理部７で処理して表示器８上に表
示するとともに、前記光ファイバ４からの後方散乱光の
うち、前記基準温度部５によって基準温度にされている
部分からの後方散乱光をアンチストークスラマン散乱光
と、ストークスラマン散乱光とに分離して処理部部７で
これらの比が一定になるように前記レーザ光源部２を構
成するレーザ光源１２の温度を制御する。

【００１５】レーザ光源部２は前記処理部７からトリガ
信号が出力されたとき駆動パルス信号を生成するパルス
発生回路９と、このパルス発生回路９から駆動パルス信
号が出力されたとき、駆動信号を生成する駆動回路１０
と、この駆動回路１０から駆動信号が出力されたとき、
レーザパルス光を生成するレーザ光源１２と、前記処理
部７から発振温度制御信号が出力されているとき、この
発振温度制御信号に基づいて前記レーザ光源１２の温度
を制御し、このレーザ光源１２から出射されるレーザパ
ルス光の波長を調整する熱駆動回路１３とを備えてお
り、処理部７から供給される発振温度制御信号に基づい
てレーザ光源１２の温度を制御しながら、前記処理部７
からトリガ信号が供給されたとき、前記レーザ光源１２
によって前記発振温度制御信号で指定された波長のレー
ザパルス光を生成させてこれを方向性結合器３に供給す
る。

【００１６】方向性結合器３は前記レーザ光源部２のレ
ーザ光源１２から出射されるレーザパルス光を取り込ん
でこれを光ファイバ４の一端（入出射端）１７から入射
させるとともに、この一端１７から出射される後方散乱
光やフレネル反射光を取り出してこれを受光部６に供給
する。

【００１７】この場合、光ファイバ４の一端１７からレ
ーザパルス光が入射されたとき、このレーザパルス光に
よって光ファイバ４内の測定対象部分１５や基準温度部
分１６からストークスラマン散乱光やアンチストークス
ラマン散乱光が戻されてこれが前記光ファイバ４の一端
１７から出射されるとともに、前記レーザパルス光が前
記光ファイバ４の入出射端１７に入射したときや終端１
８に達したとき、これら入出射端１７部分や終端１８部
分でフレネル反射してこれが前記光ファイバ４の一端１
７から出射され、これらストークスラマン散乱光やアン
チストークスラマン散乱光、フレネル反射光が前記方向
性結合器３によって取り出されて受光部６に供給され
る。

【００１８】受光部６は前記方向性結合器３から供給さ
れる散乱光や反射光をストークスラマン散乱光成分と、
アンチストークスラマン散乱光成分とに分離する分波器
２０と、アバレンシェフォトダイオード等によって構成
され前記分波器２０から出力されるストークスラマン散
乱光成分を電気信号に変換する検出器２１と、この検出
器２１から出力される電気信号を増幅する増幅器２２
と、アバレンシェフォトダイオード等によって構成され
前記分波器２０から出力されるアンチストークスラマン
散乱光成分を電気信号に変換する検出器２３と、この検
出器２３から出力される電気信号を増幅する増幅器２４
とを備えており、前記方向性結合器３から供給される散
乱光や反射光をストークスラマン散乱光成分と、アンチ
ストークスラマン散乱光成分とに分離して各々電気信号
に変換し、これらを処理部７に供給する。

【００１９】処理部７は前記受光部６の増幅器２２から
出力されるストークスラマン散乱光成分信号を高速でＡ
／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２５と、前記受光部６の増幅
器２４から出力されるアンチストークスラマン散乱光成
分信号を高速でＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２６と、設
定器等の設定内容に応じた値の基準温度信号を生成する
処理、予め設定されている所定の周期でトリガ信号を生
成してこれを前記レーザ光源部２に供給する処理、前記
各Ａ／Ｄ変換器２５、２６から出力されるストークスラ
マン散乱光成分信号、アンチストークスラマン散乱光成
分信号に基づいて前記光ファイバ４が設置されている測
定対象部分１５の温度分布を測定する処理、この処理結
果を表示器８に供給する処理、前記ストークスラマン散
乱光成分信号、アンチストークスラマン散乱光成分信号
のうち、基準温度部分１６からのストークスラマン散乱
光成分信号、アンチストークスラマン散乱光成分信号に
基づいて前記レーザ光源１２から出射されるレーザパル
ス光の波長を判定する処理、この処理結果に基づいて発
振温度制御信号を生成してこれを前記レーザ光源部２に
供給する処理等の処理を行なう記憶演算制御回路２７
と、この記憶演算制御回路２７から出力される基準温度
信号を取り込んで温度駆動信号を生成しこれを前記基準
温度部５に供給する駆動回路２８とを備えている。

【００２０】そして、設定器等の設定内容に応じた値の
基準温度信号を生成して温度駆動信号を生成し、これを
前記基準温度部５に供給しながら、予め設定されている
所定の周期でトリガ信号を生成してこれを前記レーザ光
源部２に供給したり、前記各増幅器２２、２４から出力
されるストークスラマン散乱光成分信号、アンチストー
クスラマン散乱光成分信号に基づいて前記光ファイバ４
が設置されている測定対象部分１５の温度分布を測定し
たり、この測定結果を表示器８に供給したり、前記スト
ークスラマン散乱光成分信号、アンチストークスラマン
散乱光成分信号のうち、基準温度部分１６からのストー
クスラマン散乱光成分信号、アンチストークスラマン散
乱光成分信号に基づいて前記レーザ光源１２から出射さ
れるレーザパルス光の波長を判定したり、この処理結果
に基づいて発振温度制御信号を生成してこれを前記レー
ザ光源部２に供給したりする。

【００２１】基準温度部５は前記光ファイバ４の一部に
取り付けられており、前記処理部７の駆動回路２８から
出力される温度駆動信号に基づいて前記光ファイバ４の
一部（基準温度部分）の温度を前記温度駆動信号によっ
て指定された温度（基準温度）にする。

【００２２】また、表示器８はＣＲＴ等によって構成さ
れており、前記処理部７から測定結果等が出力されたと
き、これを取り込んで画面上に表示する。

【００２３】次に、図１に示すブロック図を参照しなが
らこの実施例の動作を説明する。

【００２４】まず、測定動作指令が入力されれば、処理
部７の記憶演算制御回路２７によって設定器等で設定さ
れている値の基準温度信号が生成されるとともに、駆動
回路２８によって前記基準温度信号から温度駆動信号が
生成され、これが基準温度部５に供給されて、光ファイ
バ４のうち、前記基準温度部５が設けられている基準温
度部分１６の温度が前記設定器等で設定されている値に
される。

【００２５】この後、処理部７の記憶演算制御回路２７
によって予め設定されている周期でトリガ信号が生成さ
れ、これがレーザ光源部２に供給されれば、このレーザ
光源部２のパルス発生回路９によってパルス信号が生成
されて、これが駆動回路１０に供給され、この駆動回路
１０によって制御されるレーザ光源１２からレーザパル
ス光が出射され、これが方向性結合器３を介して光ファ
イバ４の一端１７に入射される。

【００２６】そして、この光ファイバ４の一端１７から
レーザパルス光が入射されると、図２に示す如く光ファ
イバ４の前記一端１７によって前記レーザパルス光の一
部が反射された後、光ファイバ４内の測定対象部分１５
や基準温度部分１６からストークスラマン散乱光やアン
チストークスラマン散乱光が戻されてこれが前記光ファ
イバ４の一端１７から出射され、次いで前記レーザパル
ス光が前記光ファイバ４の終端１８に達したとき、この
レーザパルス光が終端１８部分でフレネル反射してこれ
が前記光ファイバ４の一端１７から出射され、これらス
トークスラマン散乱光やアンチストークスラマン散乱
光、フレネル反射光が前記方向性結合器３によって取り
出されて受光部６に供給される。

【００２７】またこの動作と並行して、受光部６の分波
器２０によって前記方向性結合器３から前記光ファイバ
４の一端１７での反射動作によって得られた反射光や前
記光ファイバ４内の散乱動作によって得られた後方散乱
光、前記光ファイバ４の終端１８での反射動作によって
得られたフレネル反射光がストークスラマン散乱光成分
と、アンチストークスラマン散乱光成分とに分離されて
各検出器２１、２３で電気信号に変換されるとともに、
これら各電気信号が各増幅器２２、２４で増幅されて処
理部７の各Ａ／Ｄ変換器２５、２６に供給されてＡ／Ｄ
変換された後、記憶演算制御回路２７に供給される。

【００２８】そして、この記憶演算制御回路２７によっ
て前記各Ａ／Ｄ変換器２５、２６から出力されるストー
クスラマン散乱光成分信号、アンチストークスラマン散
乱光成分信号のうち、前記光ファイバ４内からの後方散
乱光によるストークスラマン散乱光成分信号、アンチス
トークスラマン散乱光成分信号が取り込まれてこれらが
同期加算処理対象データとして記憶される。

【００２９】以下、予め設定されている周期で、上述し
た動作が繰り返されて光ファイバ４からの後方散乱光中
に含まれているストークスラマン散乱光成分信号と、ア
ンチストークスラマン散乱光成分信号とが同期加算され
て図２に示す如く前記光ファイバ４が設置されている測
定対象部分１５や基準温度部分１６の温度分布データが
作成される。

【００３０】この場合、図２から明らかなように、測定
対象部分１５や基準温度部分１６からのストークスラマ
ン散乱光やアンチストークスラマン散乱光は伝送損失に
よりその値が指数関数的に減衰して行く。

【００３１】そして、光ファイバ４の基準温度部分１６
からのストークスラマン散乱光の波長を“λs ”、アン
チストークスラマン散乱光の波長を“λa ”、ラマンシ
フト波数を“ν”、絶対温度を“Ｔ”、プランク定数を
“ｈ”、光速を“Ｃ”とすれば、ストークスラマン散乱
光と、アンチトークスラマン散乱光との比“Ｒ”は次式
によって表わすことができる。

【００３２】 Ｒ＝（λs ／λa ）⁴ ・exp （−ｈ・Ｃ・ν／Ｋ・Ｔ） …（１） この（１）式から明らかなように、光ファイバ４からの
ストークスラマン散乱光と、アンチトークスラマン散乱
光との比“Ｒ”は温度だけの関数となり、光ファイバ４
の減衰率やレーザパルス光の光量に依存しない値とな
る。

【００３３】また、この比“Ｒ”は図３に示す如く分波
器２０のハイカットフィルタ特性と、ローカットフィル
タ特性とによって選別されるアンチストークスラマン散
乱光の領域ａと、ストークスラマン散乱光の領域ｂとの
強度比であり、前記レーザ光源１２から出射されるレー
ザパルス光の波長と、前記分波器２０の各フィルタ特性
との相対位置関係によって変化し、図４に示す如く前記
レーザパルス光が長波長側にシフトしたとき、領域ａが
減少して、領域ｂが増加し、これに対応して比“Ｒ”の
値が大きくなり、また逆にレーザパルス光が短波長側に
シフトしたとき、領域ａが増加して、領域ｂが減少し、
これに対応して比“Ｒ”の値が小さくなる。

【００３４】そして、処理部７の記憶演算制御回路２７
は光ファイバ４の基準温度部分１６からのストークスラ
マン散乱光成分信号と、アンチストークスラマン散乱光
成分信号との比“Ｒ”が予め設定されている値（例え
ば、“１”）になっていれば、現在、出力している発振
温度制御信号の値をそのままの値に保持する。

【００３５】また、このとき、前記各Ａ／Ｄ変換器２
５、２６から出力されるストークスラマン散乱光成分信
号、アンチストークスラマン散乱光成分信号のうち、前
記光ファイバ４の基準温度部分１６からのストークスラ
マン散乱光成分信号と、アンチストークスラマン散乱光
成分信号との比が予め設定されている“１”よりも
“＋”側にシフトしていれば、現在、出力している発振
温度制御信号の値を“−”にシフトさせてレーザ光源１
２から出射されるレーザパルス光の波長を短くし、また
前記ストークスラマン散乱光成分信号と、アンチストー
クスラマン散乱光成分信号との比が“−”側にシフトし
ていれば、現在、出力している発振温度制御信号の値を
“＋”にシフトさせてレーザ光源１２から出射されるレ
ーザパルス光の波長を長くする。

【００３６】この場合、レーザ光源１２として大出力が
得られる縦モードマルチのパルス半導体レーザを用いて
いれば、図５に示す如く周囲温度が“１０℃”高くなれ
ば、発振波長が約“２ｎｍ”増加し、また周囲温度が
“１０℃”低くなれば、発振波長が約“２ｎｍ”減少す
る。

【００３７】以下、予め設定されている周期で、上述し
た動作が繰り返されてレーザ光源１２から出射されるレ
ーザパルス光の波長と、分波器２０のハイカットフィル
タ特性、ローカットフィルタ特性との相対位置関係が一
定に保持されて、光ファイバ４からの後方散乱光中に含
まれているストークスラマン散乱光成分信号と、アンチ
ストークスラマン散乱光成分信号とが同期加算されて前
記光ファイバ４が設置されている測定対象部分１５の温
度分布データが作成され、これが表示器８上に表示され
る。

【００３８】このようにこの実施例においては、基準温
度部５によって光ファイバ４の基準温度部分１６の温度
を予め設定されている値にしながら、前記光ファイバ４
から出射されるストークスラマン散乱光およびアンチス
トークスラマン散乱光のうち、前記基準温度部分１６か
らのストークスラマン散乱光と、アンチストークスラマ
ン散乱光との比“Ｒ”が予め設定されている値（例え
ば、“１”）になるようにレーザ光源１２の周囲温度を
制御して前記レーザ光源１２から出射されるレーザパル
ス光の波長を調整するようにしたので、レーザの発振波
長とフィルタのカット波長との関係を一定に制御するこ
とができ、これによってレーザの発振波長変動に起因す
る誤差を無くして高精度な温度分布測定を行なうことが
できる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、レ
ーザの発振波長とフィルタのカット波長との関係を一定
に制御することができ、これによってレーザの発振波長
変動に起因する誤差を無くして高精度な温度分布測定を
行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による温度分布検出装置の一実施例を示
す構成図である。

【図２】図１に示す光ファイバの一端から戻される光信
号の一例を示す模式図である。

【図３】図１に示すレーザパルス光の波長と、光ファイ
バの基準温度部分からの散乱光の波長と、分波器のフィ
ルタ特性との関係を示す模式図である。

【図４】図１に示すレーザ光源から出射されるレーザパ
ルス光の波長と、光ファイバの基準温度部分からのスト
ークスラマン散乱光の波長とアンチストークスラマン散
乱光の波長との比との関係を示す模式図である。

【図５】図１に示すレーザ光源から出射されるレーザパ
ルス光の波長と、周囲温度との関係を示す模式図であ
る。

【符号の説明】

２ レーザ光源部 ３ 方向性結合器 ４ 光ファイバ（測定用光ファイバ） ５ 基準温度部 ６ 受光部 ７ 処理部 １２ レーザ光源 １３ 熱駆動部（温度制御部） １６ 基準温度部分 １７ 入出射端 ２０ 分波器 ２７ 記憶演算制御回路（基準散乱光検出部、発振温度
制御信号生成部）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定用光ファイバの入出射端へ光信号を
   入射し、分波器によって前記光信号が前記測定用光ファ
   イバ内を進行する際に発生する後方ラマン散乱光をアン
   チストークスラマン散乱光とストークスラマン散乱光と
   の２つのラマン散乱光に選別し、前記２つのラマン散乱
   光の前記入出射端への到着時間と、その強度とに基づい
   て前記測定用光ファイバに沿った温度分布を測定する温
   度分布検出装置において、 前記測定用光ファイバのうち、基準温度部分として指定
   されている部分の温度を指定されている値にする基準温
   度部と、 前記分波器から出力される２つのラマン散乱光に含まれ
   る前記測定用光ファイバの基準温度部分から戻される２
   つのラマン散乱光を検出する基準散乱光検出部と、 この基準散乱光検出部によって検出された２つのラマン
   散乱光の比に基づいて発振温度制御信号を生成する発振
   温度制御信号生成部と、 この発振温度制御信号生成部から出力される発振温度制
   御信号に基づいて前記光信号を生成するレーザ光源の周
   囲温度を制御して前記光信号の波長を制御する温度制御
   部と、 を備えたことを特徴とする温度分布検出装置。