JP2971164B2 - 分布型光ファイバセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバ内を伝わる光
パルスによる後方散乱光を検出して光ファイバ周囲の物
理量分布を測定する分布型光ファイバセンサに関する。

【０００３】

【従来の技術】光ファイバを利用して物理量を測定する
センサの１つとして、光ファイバ内を伝わる光パルスに
よる後方散乱光を検出して光ファイバ周囲の物理量分布
を測定する分布型光ファイバセンサが知られている。

【０００４】図５はこのような分布型光ファイバセンサ
の一例を示す構成図である。

【０００５】この図に示す分布型光ファイバセンサは光
源１０１から発せられた光パルスを光ファイバ１０２に
入射し、方向性結合器１０３を通して測定用光ファイバ
１０４に導くとともに、この測定用光ファイバ１０４内
で散乱されて戻ってくる逆散乱光を前記方向性結合器１
０３に導いてこれを受光素子１０５に入射させ電気信号
を発生させる。

【０００６】このとき、前記光源１０１が光パルスを出
射してから受光素子１０５から電気信号が出力されるま
での時間は前記測定用光ファイバ１０４内で前記光パル
スが散乱された位置までの距離と比例し、かつ前記電気
信号の大きさは散乱された位置における物理量の関数と
なる。

【０００７】そして、前記受光素子１０５から出力され
た電気信号を増幅器１０６で増幅した後、Ａ／Ｄ変換器
１０７で高速にサンプリングしてデジタル信号に変換
し、これを信号処理演算装置１０８で処理して前記測定
用光ファイバ１０４が設置された範囲に対する物理量の
分布計測を行なう。

【０００８】また、通常、上記の方法によって得られる
信号は微弱なものであり、多くの雑音成分を含んでいる
ため、電気信号中に含まれる雑音成分がサンプリング毎
に時間的な相関を持っていないときには、数千〜数万回
のサンプリングを行なって得られた各デジタル信号を信
号処理演算装置１０８でアベレージ積分やボックスカー
積分等の平均化処理を施して前記雑音成分を低減させ、
また前記電気信号中に含まれる雑音成分がサンプリング
毎に時間的な相関を持っているときには、前記信号処理
演算装置１０８によってさらに各種のフィルタ処理を施
して雑音成分を低減させる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の分布型光ファイバセンサにおいては、次に述べ
るような問題があった。

【００１０】すなわち、分布型光ファイバセンサに用い
られるＡ／Ｄ変換器１０７では、図６に示す如くサンプ
リング周期Ｔに比べて測定信号取込み時間ｔSが短か
く、サンプリングを休止している時間ｔA の間、測定を
行なわないため、サンプリング周期で決まる距離の間隔
でしか、測定用光ファイバ１０４からの逆散乱光をデジ
タル信号に変換することができない。

【００１１】このため、サンプリング休止時間ｔA の間
に本来含まれる有意義な信号成分、例えば図６に示す局
所的なピークＡがあっても、これを測定することができ
ないという問題があった。

【００１２】そして、現実の典型的な分布型光ファイバ
センサで使用されるＡ／Ｄ変換器１０７のサンプリング
周期Ｔが数十ｎｓｅｃ程度であり、信号取込み時間がｔ
S が数ｎｓｅｃ程度であり、これらの比が“１０”程度
であることから、測定可能な全信号のうち、ほとんどの
信号を測定していないという問題があった。

【００１３】また、このような分布型光ファイバセンサ
で使用されるＡ／Ｄ変換器１０７のサンプリング周期Ｔ
が数十ｎｓｅｃ程度であるため、Ａ／Ｄ変換器１０７の
サンプリング周期で決まる距離分解能を１ｍ〜５ｍより
小さな値にすることができないという問題があった。

【００１４】また、このような分布型光ファイバセンサ
では、雑音成分を除去するために、数千〜数万回のサン
プリングを行なって得られた各デジタル信号を信号処理
演算装置１０８で加算処理や平均処理、フィルタ処理等
の処理を行なっているため、１回の測定に数分程度の時
間がかかってしまうという問題があった。

【００１５】本発明は上記の事情に鑑み、サンプリング
周期に対応する測定点以外の物理量変化を測定結果に適
切に反映させたり、前記測定点以外の物理量を選択的に
測定したりすることができるとともに、加算処理や平均
処理、フィルタ処理等の雑音除去処理に要する時間を短
縮することができる分布型光ファイバセンサを提供する
ことを目的としている。

【００１６】［発明の構成］

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明による分布型光ファイバセンサは、測定用の
光ファイバ内を伝わる光パルスによる後方散乱光を検出
して電気信号を生成する受光素子と、この受光素子によ
って生成された電気信号を遅延させて各遅延量の電気信
号を生成する遅延回路と、この遅延回路によって生成さ
れた各遅延量の電気信号を取り込むとともに、これらの
各電気信号に対して予め設定されている条件で重み付け
を行なう重み付け回路と、この重み付け回路によって重
み付けされた各電気信号を演算処理する演算回路とを備
えたことを特徴としている。

【００１８】

【作用】上記の構成において、受光素子によって測定用
の光ファイバ内を伝わる光パルスによる後方散乱光が検
出されて電気信号が生成されるとともに、遅延回路によ
って前記受光素子で生成された電気信号が遅延されて各
遅延量の電気信号が生成される一方、重み付け回路によ
って前記遅延回路で生成された各遅延量の電気信号が取
り込まれて、これらの各電気信号に対して予め設定され
ている条件で重み付けが行なわれた後、演算回路によっ
て前記重み付け回路で重み付けされた各電気信号が演算
処理される。

【００１９】

【実施例】図１は本発明による分布型光ファイバセンサ
の一実施例を示す構成図である。

【００２０】この図に示す分布型光ファイバセンサは光
学系１５と、信号処理系１６とを備えており、光学系１
５によって測定対象となっている物理量の分布状態を検
出してこの検出結果を信号処理系１６で処理して前記物
理量の分布状態を測定する。

【００２１】光学系１５は光源１と、光ファイバ２と、
測定用の光ファイバ３と、方向性結合器４とを備えてお
り、光源１から発せられた光パルスを光ファイバ２によ
って方向性結合器４に導いて物理量測定用の光ファイバ
３内に出射するとともに、この測定用光ファイバ３内で
散乱されて戻ってくる逆散乱光を前記方向性結合器４で
取り込んでこれを信号処理部に出射する。

【００２２】光源１は予め設定されている周期で光パル
スを生成してこれを光ファイバ２の一端に出射する。

【００２３】光ファイバ２は前記一端に入射された前記
光源１からの光パルスを取り込んで他端に接続された前
記方向性結合器４の入射端に入射させる。

【００２４】また、測定用の光ファイバ３は測定対象と
なっている場所に配置され、前記方向性結合器４の入出
射端から出射された光パルスを取り込んで、測定対象と
なっている物理量の分布に応じた逆散乱光を発生しこれ
を前記方向性結合器４の入出射端に戻す。

【００２５】方向性結合器４は入射端から入力された光
パルスを入出射端から出射し、この入出射端から入射し
た光を出射端から出射して信号処理系１６に供給する。

【００２６】信号処理系１６は受光素子５と、増幅器６
と、遅延線７と、複数のプログラマブル倍率器９と、加
算平均回路１０と、Ａ／Ｄ変換器１１と、信号処理演算
装置１２とを備えており、前記光学系１５から出射され
た逆散乱光を受光して電気信号に変換した後、この電気
信号を処理して測定対象となっている物理量の分布に応
じた測定信号を生成する。

【００２７】受光素子５は前記光学系１５の方向性結合
器４から出射される逆散乱光を受光して電気信号を生成
しこれを増幅器６に供給する。

【００２８】増幅器６は前記受光素子５から出力される
電気信号を予め設定されている増幅率で増幅して遅延線
７の一端に供給する。

【００２９】遅延線７は前記増幅器６から出力される電
気信号を取り込んで遅延させながら各タップ８から各々
出力して各プログラマブル倍率器９に各々供給する。

【００３０】各プログラマブル倍率器９は前記遅延線７
の各タップ８から各々出力される電気信号を個々に取り
込むとともに、予めセットされている重み係数を掛けて
これを加算平均回路１０に供給する。

【００３１】加算平均回路１０は前記各プログラマブル
倍率器９から出力される電気信号を加算して平均化しこ
れをＡ／Ｄ変換器１１に供給する。

【００３２】Ａ／Ｄ変換器１１はサンプリング周期Ｔが
経過する毎に信号取込み時間ｔs の間、前記加算平均回
路１０から出力される電気信号を取り込んでこれをデジ
タル信号に変換して信号処理演算装置１２に供給する。

【００３３】信号処理演算装置１２は前記Ａ／Ｄ変換器
１１から出力されるデジタル信号を取り込んで加算処理
や平均処理、フィルタ処理等の処理を行なって雑音を除
去し、測定対象となっている物理量に分布に応じた測定
信号を生成する。

【００３４】次に、図２および図３を参照しながらこの
実施例における物理量の分布測定動作を説明する。

【００３５】まず、光源１から光パルスが出射されれ
ば、これが光ファイバ２、方向性結合器４を介して測定
用の光ファイバ３に入射し、この光ファイバ３からの逆
散乱光が前記方向性結合器４に戻って受光素子５に出射
される。

【００３６】そして、受光素子５によってこれが受光さ
れて電気信号が出力されこれが増幅器６によって増幅さ
れた後、遅延線７で遅延されながら各タップ８から取り
出されて各プログラマブル倍率器９に供給され、これら
各プログラマブル倍率器９に設定されている倍率で個々
に増幅された後、加算平均回路１０に供給される。そし
て、この加算平均回路１０でこれらの電気信号が加算さ
れた後、Ａ／Ｄ変換器１１によってサンプリング周期Ｔ
でサンプリングされてデジタル信号に変換され、信号処
理演算装置１２で加算処理や平均処理、フィルタ処理等
の処理が行なわれて雑音が除去され、測定対象となって
いる物理量に分布に応じた測定信号が生成される。

【００３７】このとき、各プログラマブル倍率器９を調
整して図２（ａ）に示す如くこれら各プログラマブル倍
率器９の倍率を全て同じ値にしていいれば、前記遅延線
７の各タップ８から個々に出力される電気信号が同じ倍
率の増幅されて加算平均回路１０に供給されるので、図
３に示す如くサンプリング周期Ｔで加算平均回路１０か
ら出力される電気信号をＡ／Ｄ変換したとき、サンプリ
ング周期Ｔの間にある各信号Ｓ１〜Ｓｎを加算した電気
信号がＡ／Ｄ変換される。

【００３８】これによって、前記サンプリング周期Ｔの
間に信号のピークＡ等があっても、このピークＡを含む
デジタル信号を生成して前記逆散乱光に応じた測定信号
を生成することができる。

【００３９】また、図２（ｂ）に示す如く各プログラマ
ブル倍率器９のうち、いずれか１つの選択してこのプロ
グラマブル倍率器９の倍率を所定の値にし、残りの各プ
ログラマブル倍率器９の倍率を“０”にすれば、サンプ
リング周期Ｔの間にある測定したい範囲の信号成分のみ
を抽出しこれをデジタル信号に変換することができる。

【００４０】これによって、各プログラマブル倍率器９
の１つを順次、選択してその倍率を“１”にし、残った
各プログラマブル倍率器９の倍率を“０”にすることよ
り、サンプリング周期Ｔの間にある信号成分を順次、抽
出することができ、これによって距離分解能を大幅に向
上させることができる。

【００４１】また、各プログラマブル倍率器９の倍率を
図２（ｃ）に示すような倍率にすれば、逆散乱光に対応
する電気信号中の所定周波数成分以上をカットしたデジ
タル信号を生成することができ、これによって前記電気
信号中に含まれている雑音成分を低減させて信号処理演
算装置１２の雑音除去処理負担を小さくすることができ
る。

【００４２】このようにこの実施例においては、逆散乱
光を受光した受光素子５から出力される電気信号を遅延
線７によって遅延させるとともに、前記遅延線７の各タ
ップ８から電気信号を取り出して各プログラマブル倍率
器９に供給し、これらの各プログラマブル倍率器９にセ
ットした倍率で前記各タップ８から取り出した電気信号
を個々に増幅した後、加算平均回路１０に供給して加算
しこの加算結果をデジタル信号に変換するようにしてい
るので、サンプリング周期Ｔに対応する測定点以外の物
理量変化を測定結果に適切に反映させたり、前記測定点
以外の物理量を選択的に測定したりすることができると
ともに、加算処理や平均処理、フィルタ処理等の雑音除
去処理に要する時間を短縮することができる。

【００４３】図４は本発明による分布型光ファイバセン
サの他の実施例を示す構成図である。なお、この図にお
いて、図１に示す各部と同じ部分には同じ符号が付して
ある。

【００４４】この図に示す分布型光ファイバセンサが図
１に示すセンサと異なる点は、各プログラマブル倍率器
９を削除して遅延線７の各タップ８から取り出した電気
信号を配線回路１７を介して加算平均回路１０に直接、
供給するようにしたことである。

【００４５】このようにすることにより、上述した実施
例のうち、各プログラマブル倍率器９の倍率を全て同じ
値にしたときと同じ効果を得ることができ、これによっ
て部品点数を低減させてコストを低くしながら、上述し
た実施例と同様にサンプリング周期に対応する測定点以
外の物理量変化を測定結果に適切に反映させたり、前記
測定点以外の物理量を選択的に測定したりすることがで
きるとともに、加算処理や平均処理、フィルタ処理等の
雑音除去処理に要する時間を短縮することができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、サ
ンプリング周期に対応する測定点以外の物理量変化を測
定結果に適切に反映させたり、前記測定点以外の物理量
を選択的に測定したりすることができるとともに、加算
処理や平均処理、フィルタ処理等の雑音除去処理に要す
る時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による分布型光ファイバセンサの一実施
例を示す構成図である。

【図２】図１に示す各プログラマブル倍率器の倍率例を
示す模式図である。

【図３】図１に示す分布型光ファイバセンサの動作例を
示す模式図である。

【図４】本発明による分布型光ファイバセンサの他の実
施例を示す構成図である。

【図５】従来から知られている分布型光ファイバセンサ
の一例を示す構成図である。

【図６】図５に示す分布型光ファイバセンサの測定動作
例を示す模式図である。

【符号の説明】

３ 測定用の光ファイバ ５ 受光素子 ７ 遅延回路（遅延線） ９ 重み付け回路（プログラマブル倍率器） １０ 演算回路（加算平均回路） １７ 重み付け回路（配線回路）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定用の光ファイバ内を伝わる光パルス
   による後方散乱光を検出して電気信号を生成する受光素
   子と、この受光素子によって生成された電気信号を遅延
   させて各遅延量の電気信号を生成する遅延回路と、この
   遅延回路によって生成された各遅延量の電気信号を取り
   込むとともに、これらの各電気信号に対して予め設定さ
   れている条件で重み付けを行なう重み付け回路と、この
   重み付け回路によって重み付けされた各電気信号を演算
   処理する演算回路と、を備えたことを特徴とする分布型
   光ファイバセンサ。