JP3106443B2 - 温度分布測定方法及びその装置 - 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で生じるラ
マン散乱光から光ファイバ上の各点の温度を測定するこ
とによって温度分布を測定する方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバを用いた従来技術として、Ｏ
ＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometry ）による
距離測定の原理と、ラマン散乱光の検出による温度測定
の原理と組み合わせた装置が知られ、例えば、文献「J.
P.Dakin et al:“Distrbuted optical fibre Raman tem
perature sensor using asemiconductor light sourcea
nd detection ”」に開示されている。

【０００３】これを原理的に説明すると、図６（ａ）の
ようになる。まず、被測定光ファイバ１０１にパルス光
を入射すると、伝播の過程で後方散乱光が現れ、入射端
に戻ってくる。ここで、ある散乱点までの距離をＬ、パ
ルスの入射時点から後方散乱光の検出時点までの時間を
ｔ、被測定光ファイバ１０１の屈折率をｎ、被測定光フ
ァイバ１０１中の光速をＣとすると、 Ｌ＝Ｃ・ｔ／２ｎ （１） となる。したがって、散乱点の位置が定量的に求まる。

【０００４】一方、後方散乱光にはレーリ光とストーク
ス光、反ストークス光が含まれ、入射パルス光の波長を
λo とするとレーリ光の波長はλo となり、ストークス
光の波長λs と反ストークス光の波長λasは、 １／λs ＝１／λo ＋ν （２ａ） １／λas＝１／λo −ν （２ｂ） となる（図６（ｂ）参照）。ここで、ｈはプランク定数
（Ｊ・Ｓ）、νはラマンシフト量（ｍ^-1）、ｋはボルツ
マン定数（Ｊ／Ｋ）である。

【０００５】ストークス光強度Ｉs と反ストークス光強
度Ｉasの比は、被測定光ファイバ１０１中の散乱点の絶
対温度Ｔに依存し、Ｉas／Ｉs がｅｘｐ（−ｈ・Ｃ・
ν／ｋＴ）に比例する関係となる。これにより、散乱点
の温度が定量的に求められる。そして、被測定光ファイ
バ１０１中の各散乱点からは絶対温度Ｔに依存したスト
ークス光及び反ストークス光が発生し、ストークス光強
度Ｉs 及び反ストークス光強度Ｉasは温度分布に応じた
時間変化を示し、時間は各散乱点の距離に対応したもの
になっている。ストークス光強度Ｉs 及び反ストークス
光強度Ｉasをサンプリングし、各サンプリング点で求め
た温度から被測定光ファイバ１０１中の温度分布が得ら
れることになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術におい
ては、ストークス光強度Ｉs 及び反ストークス光強度Ｉ
asを同じ時間間隔でサンプリングし、同じ時間に対応す
るサンプリングデータの強度比から温度の計算を行って
いた。かつては光検出系の精度が悪く、長距離の測定で
はストークス光強度Ｉs 及び反ストークス光強度Ｉasが
微弱なものとっていたので、それほど長い距離の測定に
は用いられなかった。現在、光検出系の精度が改善さ
れ、より微弱な光の測定し得るようになり、長い距離の
測定が可能になりつつある。

【０００７】しかし、前述の従来技術では、測定する距
離がより長いものになると、正確な測定が行えなくなる
ことが明らかになってきた。この原因は、本件発明者の
鋭意検討の結果、ストークス光及び反ストークス光に対
する光ファイバの分光屈折率の違いに起因し、この屈折
率の違いによってストークス光と反ストークス光の散乱
点からの到達時間の違いが原因となっていることが分か
った。

【０００８】測定する距離がより長いものになると、例
えば、光ファイバの長さ方向にステップ状に温度が変化
している場合、ストークス光及び反ストークス光のサン
プリングデータ間に位置ずれがあるので、温度変化の前
後のデータの強度比を取ることがある。そのため、正確
な温度測定ができなくなるのである。また、正しく測定
されている場合では、ストークス光及び反ストークス光
の伝送損失は同じ量になるので、ストークス光強度Ｉs
及び反ストークス光強度Ｉasの比をとることによって伝
送損失をキャンセルすることが可能である。しかし、前
述の従来技術では、同一の散乱点からのストークス光強
度Ｉs 及び反ストークス光強度Ｉasでないので、伝送損
失をキャンセルすることができずに逆に誤差の原因にな
ることがある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の温度分布測定方法は、光ファイバに入射し
たパルス光にて生じる後方散乱光に含まれるラマン散乱
光のうちストークス光と反ストークス光とを検出すると
共に、これらの検出強度のサンプリングをして検出強度
のデータをもとめ、データの比から後方散乱光の生じる
散乱点の温度を順次算出することによって光ファイバの
温度分布を測定する温度分布測定方法であって、ストー
クス光と反ストークス光に対する光ファイバの分光屈折
率に応じてストークス光及び反ストークス光の検出強度
のデータをもとめることを特徴とする。

【００１０】また、光ファイバの分光屈折率に応じたサ
ンプリング間隔でストークス光及び反ストークス光の検
出強度をサンプリングすることを特徴としても良い。

【００１１】さらに、ストークス光及び反ストークス光
の検出強度から光ファイバの分光屈折率に応じたサンプ
リング間隔に応じた補完データを求め、これらの補完デ
ータの比から後方散乱光の生じる散乱点の温度を順次算
出することによって被測定光ファイバの温度分布を測定
するを特徴としても良い。

【００１２】そして、本発明の温度分布測定装置は、光
ファイバに入射したパルス光にて生じる後方散乱光に含
まれるラマン散乱光のうちストークス光と反ストークス
光とを検出する第１の手段と、光ファイバの分光屈折率
に応じたサンプリング間隔でストークス光と反ストーク
ス光の検出強度のサンプリングをして検出強度のデータ
を出力する第２の手段と、データの比から後方散乱光の
生じる散乱点の温度を順次算出する第３の手段とを備え
る。

【００１３】また、本発明の温度分布測定装置は、光フ
ァイバに入射したパルス光にて生じる後方散乱光に含ま
れるラマン散乱光のうちストークス光と反ストークス光
とを検出する第１の手段と、光ファイバの分光屈折率に
応じたサンプリング間隔でストークス光と反ストークス
光の検出強度のサンプリングをして検出強度のデータを
出力する第２の手段と、ストークス光及び反ストークス
光の検出強度から光ファイバの分光屈折率に応じたサン
プリング間隔に応じた補完データを求め、これらの補完
データの比から後方散乱光の生じる散乱点の温度を順次
算出する第３の手段とを備える。

【００１４】

【作用】本発明の温度分布測定方法では、パルス光が光
ファイバ内部の各所で散乱し、各散乱点で生じたストー
クス光と反ストークス光とが光ファイバ内部を検出され
る地点まで伝搬して検出される。そして、これらの検出
強度のサンプリングをして検出強度のデータをもとめら
れる。このとき、ストークス光及び反ストークス光に対
して光ファイバの分光屈折率は異なった値を持つので、
散乱点から検出される地点までの伝搬時間は異なった値
になっているのだが、ストークス光と反ストークス光に
対する光ファイバの分光屈折率に応じたストークス光及
び反ストークス光の検出強度のデータがもとめられる。
即ち、光ファイバの分光屈折率に応じたサンプリング間
隔でサンプリングを行うか、或いは、補完データを求め
ることで、温度を算出するデータは各散乱点に対応した
ものになる。これによって光ファイバの分光屈折率に影
響されないより正確な温度分布がもとめられる。

【００１５】本発明の温度分布測定装置では、上述の温
度分布測定方法で光ファイバ内の各散乱点の温度が順次
算出され、光ファイバの分光屈折率に影響されないより
正確な温度分布がもとめられる。

【００１６】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の方法を実現するための一実施例
の構成を示したものである。この光ファイバの温度分布
測定システムでは、ストークス光及び反ストークス光の
検出強度を光ファイバの分光屈折率に応じたサンプリン
グ間隔でサンプリングし、前述したＯＴＤＲの原理にも
とづいて散乱点までの距離をもとめて温度分布の測定が
行われる。このシステムは、測定装置１０２と、演算表
示装置１０３で構成される。

【００１７】測定装置１０２は、被測定光ファイバ１０
１と光結合され、被測定光ファイバ１０１に光Ｐ_L を入
射し、後方散乱光Ｐ_B にて被測定光ファイバ１０１の温
度分布データを演算表示装置１０３に出力するものであ
る。演算表示装置１０３には、いわゆるパーソナルコン
ピュータが用いられ、ＲＳ２３２Ｃ又はＧＰ−ＩＢなど
の規格化されたインターフェイスにより測定装置１０２
と温度や距離のデータなどをやり取りし、被測定光ファ
イバ１０１の温度分布の表示，時間変化や異常高温の検
出が行われる。測定装置１０２の各部の構成はつぎのよ
うになっている。

【００１８】タイミング発生器１３２は、水晶発振機と
分周器とにより構成され、レーザパルス光Ｐ_L のタイミ
ングトリガ（レーザダイオード１２１が発光する時間を
制御するタイミングパルス）をレーザドライバ１２８に
順次与える。また、レーザダイオード１２１の１回の発
光ごとに、Ａ／Ｄ変換器１３１ｓ，ａ，平均化器１２７
ｓ，ａ，信号処理器１２６へ測定開始のタイミングパル
スを与える。レーザドライバ１２８は、タイミングトリ
ガにしたがってレーザダイオード１２１を駆動し、パル
ス光Ｐ_L を発生させている。ビームスプリッタ１２２
は、パルス光Ｐ_Lを透過して被測定光ファイバ１０１に
与え、被測定光ファイバ１０１からの後方散乱光Ｐ_B を
波長分離器１２３に与える。

【００１９】被測定光ファイバ１０１の入力部にはマル
チモード光ファイバをコイル状に巻回した屈曲部１１１
が設けられ、高次光が取り除かれるようになっている。
波長分離器１２３は、被測定光ファイバ１０１からの後
方散乱光Ｐ_B からストークス光Ｐｓ，反ストークス光Ｐ
ａを分離する。アバランシェフォトダイオードによる光
検出器ＡＰＤｓ，ＡＰＤａは、ストークス光Ｐｓ，反ス
トークス光Ｐａの検出強度を電気信号にして出力し、増
幅器１２５ｓ，ａはこれらの検出強度を増幅する。

【００２０】Ａ／Ｄ変換器１３１ｓ，ａは、ストークス
光Ｐｓ，反ストークス光Ｐａの検出強度をディジタルデ
ータに変換するもので、高速タイプのもので構成され
る。Ａ／Ｄ変換器１３１ｓ，ａのサンプリングクロック
は外部（この場合、演算表示装置１０３）からの入力に
よって可変であり、設定可能になっている。Ａ／Ｄ変換
器１３１ｓ，ａのサンプリング間隔Ｔｓ，Ｔａは、それ
ぞれストークス光Ｐｓ，反ストークス光Ｐａに対する光
ファイバの分光屈折率に応じてつぎの式（３）で示され
る関係の値に設定される。

【００２１】

【数１】

【００２２】平均化器１２７ｓ，ａは、Ａ／Ｄ変換器１
３１ｓ，ａからのディジタルデータについてそれぞれ数
万回の加算平均を行い、ランダムなノイズ成分を相殺し
Ｓ／Ｎ比の改善を行う。信号処理器１２６は、平均化器
１２７ｓ，ａでノイズを除去されたストークス光Ｐｓ，
反ストークス光Ｐａの検出強度のディジタルデータを演
算処理して温度分布の波形のデータに変換する。このと
きの演算は、Ａ／Ｄ変換器１３１ｓ，ａそれぞれに対応
する各サンプリングクロックついて行われ、その結果を
信号処理器１２６は演算表示装置１０３にインターフェ
イス仕様に合わせて出力する。

【００２３】つぎにこのシステムの動作について説明す
る。

【００２４】半導体レーザ１２１からのパルス光Ｐ_L は
ビームスプリッタ１２２を透過して被測定光ファイバ１
０１に入射される。被測定光ファイバ１０１からの後方
散乱光は、高次光が取り除かれたのちビームスプリッタ
１２２で光路変換され、波長分離部１２３で波長λs の
ストークス光と波長λasの反ストークス光に分離され
る。光検出器ＡＰＤｓ，ＡＰＤａでそれぞれ検出強度が
電気信号に変換され増幅される。

【００２５】ここで、ストークス光，反ストークス光に
ついて光ファイバの分光屈折率が異なったものである
と、光ファイバ内での伝搬速度が異なったものになる。
パルス光Ｐ_L がトリガされてからの時間ｔにおいて観測
されるストークス光，反ストークス光の発生地点（散乱
点）までの距離ｌｓ，ｌａは理論的に式（４）で示され
るものになる。これらの検出強度の波形は散乱点までの
距離に応じて時間的にずれたものになっている。これら
の波形の時間的ずれΔｔはつぎの式（５）で示される。

【００２６】

【数２】

【００２７】

【数３】

【００２８】このシステムでは、Ａ／Ｄ変換器１３１
ｓ，ａのサンプリングタイムに前述の式（３）の関係を
持たせてサンプリングを行い、対応するストークス検出
強度Ｉs と反ストークス検出強度Ｉasのデータから温度
分布を求めている。図２は、パルス光Ｐ_L の波長λを
０．９１μｍ、ストークス光の波長λｓを０．９４μ
ｍ、反ストークス光の波長λasを０．８８μｍ、分光屈
折率ｎ_a ，ｎ_s をそれぞれ１．４８００，１．４７８６
とした場合の一例を示したものである。

【００２９】被測定光ファイバ１０１の温度分布が図２
（ａ）に示すものであると、ストークス検出強度Ｉs と
反ストークス検出強度Ｉasは、図２（ｂ），（ｃ）に示
すような互いに時間的ずれを持つ波形になっていて、図
３は、このずれを理論（実線）と実験（プロット）を比
較して示したものであり、前述の式（５）と良い一致を
しめしている。Ａ／Ｄ変換器１３１ｓ，ａのサンプリン
グタイムは前述の式（３）の関係を持ち、Ａ／Ｄ変換器
１３１ｓ，ａでは、ストークス検出強度Ｉs と反ストー
クス検出強度Ｉasのサンプリングがそれぞれ行われる。
そして、Ａ／Ｄ変換されて、同じ散乱点に対応するスト
ークス光と反ストークスの検出強度Ｉs，Ｉasのディジ
タルデータが得られる。

【００３０】平均化器１２７ｓ，ａでノイズ成分を相殺
してＳ／Ｎ比が改善される。そして、信号処理器１２６
で、図２（ｂ），（ｃ）の横軸において時間ｔ＝…，ｎ
−１，ｎ，ｎ＋１，…に対応する検出強度Ｉs ，Ｉasの
ディジタルデータの比を求めて温度が順次算出される。
即ち、同じ散乱点に対応する検出強度Ｉs ，Ｉasのディ
ジタルデータの比から温度が順次求められる。時間ｔに
対応する検出強度比Ｉs ／Ｉasは被測定光ファイバ１０
１上の位置に対応した温度となっており、検出強度Ｉs
，Ｉasは同じ散乱点に対応するものとなっている。そ
のため、順次求められた温度は、前述の式（５）で示さ
れた時間ずれを含まないものになっており、これから正
確な温度分布が得られる。この正確な温度分布が、演算
表示装置１０３に出力されて表示される（図２
（ｄ））。図２（ｄ）は図２（ａ）と非常に良い一致を
示しており、非常に正確に温度分布が測定されている。

【００３１】検出強度Ｉs ，Ｉasの波形のずれは、被測
定光ファイバ１０１が長いほど伝搬時間が掛かるので大
きいものになる。そのため、大きな距離についての温度
分布を求める際に、長距離のものほど検出強度Ｉs ，Ｉ
asのずれが大きくなるのだが、このシステムにおいて
は、被測定光ファイバ１０１上の位置に対応した検出強
度Ｉs ，Ｉasのディジタルデータの比で温度を求めるの
で、長距離のものでも正確でその効果は大きい。また、
光ファイバは波長λが１．３μｍ近傍において波長分散
は小さいのであるが、本発明では、これとは離れた波長
のパルス光Ｐ_L を用いても正確に測定でき、温度測定に
最も良好な波長のものを用いることができる。

【００３２】つぎに、本発明の第２の方法を実現するた
めの実施例について説明する。

【００３３】第２の方法による温度分布測定システムで
は、サンプリング間隔でサンプリングされたストークス
光及び反ストークス光の検出強度から光ファイバの分光
屈折率に応じて同じ散乱点に対応する検出強度を求める
ものである。このシステムは、前述の図１と同等の構成
を持つが、測定装置１０２のＡ／Ｄ変換器１３１ｓ，ａ
のサンプリングクロックを同じものとしている点と、信
号処理器１２６での処理とが異なっている。

【００３４】この信号処理器１２６の演算は、ソフトウ
ェア的になされるもので、平均化器１２７ｓ，ａでノイ
ズを除去された反ストークス光Ｐａの検出強度のデータ
から比例配分若しくは近傍３点の２次曲線近似によって
ストークス光Ｐｓと同じ散乱点に対応する検出強度を求
め、これと対応するストークス光Ｐｓの検出強度とから
温度分布を求めることで為される。この演算は、信号処
理器１２６ではなく、演算表示装置１０３で行っても等
価である。これによって前述の式（５）の波形のずれが
補正され、正確な温度分布が信号処理器１２６に出力さ
れる。

【００３５】図４は、この実施例について前述の図２と
同様のものを示したものである。被測定光ファイバ１０
１の温度分布が図４（ａ）に示すものであると、ストー
クス検出強度Ｉs と反ストークス検出強度Ｉasは、図４
（ｂ），（ｃ）に示すような互いに時間的ずれを持つ波
形になる。この図の横軸において時間ｔ＝…，ｎ−１，
ｎ，ｎ＋１，…でサンプリングされＡ／Ｄ変換されて、
検出強度Ｉs ，Ｉasのディジタルデータが得られる。そ
して、検出強度Ｉasのデータの補完データが信号処理器
１２６で求められる。比例配分によるものとすれば、時
間ｔ＝ｎに対応するデータは、時間ｔ＝ｎ−１，ｎのデ
ータと時間ずれΔｔから求められ（（ｃ）の点Ｃ）、２
次曲線近似であれば、時間ｔ＝ｎ−１，ｎ，ｎ＋１から
求められる。

【００３６】このようにして得た補完データとストーク
ス光の時間ｔ＝ｎの検出強度Ｉs とから該当する散乱点
の温度が求められる（（ｃ）の点Ｄ）。（ｄ）の点
Ｃ’，Ｄ’は、点Ｃ，Ｄの値による温度を示したもの
で、近似曲線の次数の高いものほど正確さを増してい
る。補完データは、検出強度Ｉasの波形に含まれる時間
ずれΔｔを補正し、前述の実施例のものとほぼ等価なも
のになっている。そのため、これを用いて比を求めるこ
とで温度分布の誤差が抑えられ正確な温度分布の測定を
可能にしている（図４（ｄ））。

【００３７】図５は、補完データを求めないで検出強度
比Ｉs ／Ｉasを取ったものについて示したもので、図２
または図４との比較からも分かるように正確な温度分布
が得られないものになっている。

【００３８】この実施例では、前述の実施例の効果に加
えて、ソフトウェア的な手段によって補完データを得て
いるので、ハードウェアに変更を加えることがない。そ
のため、市販品を使用することができ、特別な費用を要
しない。また、分光屈折率のことなるファイバを用いて
も、その屈折率の補正を簡単に行うことができる。

【００３９】

【発明の効果】以上の通り本発明の温度分布測定方法及
び装置によれば、温度を算出するデータは各散乱点に対
応したものになるので、長い距離の測定であっても、ス
トークス光及び反ストークス光の伝搬時間の差が補償さ
れて光ファイバの分光屈折率に影響されないより正確な
温度分布がもとめられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の構成図。

【図２】温度分布の測定の説明図。

【図３】波形のずれを示す図。

【図４】温度分布の測定の説明図。

【図５】温度分布の測定の説明図。

【図６】従来の測定を示す図。

【符号の説明】

１０１…光ファイバ、１０２…測定装置、１０３…演算
表示装置、１２３…波長分離器、ＡＰＤｓ，ＡＰＤａ…
光検出器、１２６…信号処理器、１３１ｓ，ａ…Ａ／Ｄ
変換器、１３２…タイミング発生器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 玉野 研治 神奈川県横浜市栄区田谷町１番地 住友 電気工業株式会社 横浜製作所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01K 11/12

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバに入射したパルス光にて生じ
   る後方散乱光に含まれるラマン散乱光のうちストークス
   光と反ストークス光とを検出すると共に、これらの検出
   強度のサンプリングをして前記検出強度のデータをもと
   め、前記データの比から前記後方散乱光の生じる散乱点
   の温度を順次算出することによって前記光ファイバの温
   度分布を測定する温度分布測定方法であって、 前記ストークス光と前記反ストークス光に対する前記光
   ファイバの分光屈折率に応じて前記ストークス光及び前
   記反ストークス光の前記検出強度のデータをもとめるこ
   とを特徴とする温度分布測定方法。
2. 【請求項２】 前記光ファイバの分光屈折率に応じたサ
   ンプリング間隔で前記ストークス光及び前記反ストーク
   ス光の検出強度をサンプリングすることを特徴とする請
   求項１記載の温度分布測定方法。
3. 【請求項３】 前記ストークス光及び前記反ストークス
   光の検出強度から前記光ファイバの分光屈折率に応じた
   サンプリング間隔に応じた補完データを求め、これらの
   補完データの比から前記後方散乱光の生じる散乱点の温
   度を順次算出することによって前記被測定光ファイバの
   温度分布を測定することを特徴とする請求項１記載の温
   度分布測定方法。
4. 【請求項４】 光ファイバに入射したパルス光にて生じ
   る後方散乱光に含まれるラマン散乱光のうちストークス
   光と反ストークス光とを検出する第１の手段と、 前記光ファイバの分光屈折率に応じたサンプリング間隔
   で前記ストークス光と反ストークス光の検出強度のサン
   プリングをして前記検出強度のデータを出力する第２の
   手段と、 前記データの比から前記後方散乱光の生じる散乱点の温
   度を順次算出する第３の手段とを備える温度分布測定装
   置。
5. 【請求項５】 光ファイバに入射したパルス光にて生じ
   る後方散乱光に含まれるラマン散乱光のうちストークス
   光と反ストークス光とを検出する第１の手段と、 前記光ファイバの分光屈折率に応じたサンプリング間隔
   で前記ストークス光と反ストークス光の検出強度のサン
   プリングをして前記検出強度のデータを出力する第２の
   手段と、 前記ストークス光及び前記反ストークス光の検出強度か
   ら前記光ファイバの分光屈折率に応じたサンプリング間
   隔に応じた補完データを求め、これらの補完データの比
   から前記後方散乱光の生じる散乱点の温度を順次算出す
   る第３の手段とを備える温度分布測定装置。