JP3690252B2

JP3690252B2 - Temperature distribution measurement sensor using optical fiber

Info

Publication number: JP3690252B2
Application number: JP2000226217A
Authority: JP
Inventors: 昌彦内田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2020-07-21
Also published as: JP2002039871A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いた温度分布測定センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いた物理量測定センサとしては、一般に光ファイバに沿った温度分布を測定する温度分布測定センサが知られている。
【０００３】
図３は温度分布測定センサの従来例を示すブロック図である。
【０００４】
同図に示す温度分布測定センサは、主に被測定箇所に配置されるセンサ用光ファイバ１と、センサ用光ファイバ１に光パルスを入射し、センサ用光ファイバ１から戻ってくる少なくとも２波長の散乱光を検出する検出装置２と、検出装置２内に配置され、センサ用光ファイバ１の一部を覆う均熱ケース３と、均熱ケース３内に設けられセンサ用光ファイバ１の温度を測定する温度センサ４と、検出装置２を制御すると共に、検出装置２より得られた散乱光のデータ及び温度センサ４からの温度データよりセンサ用光ファイバ１の長手方向に沿った温度分布を計算する計算・制御器５とで構成されたものである。
【０００５】
センサ用光ファイバ１の一端に、検出装置２の光源６で発生した光パルスを光カプラや光分波器等の光分岐・分波器７を介して入射させる。この光パルスがセンサ用光ファイバ１内を伝搬するに従い、センサ用光ファイバ１の各位置で発生する散乱光のうちセンサ用光ファイバ１の光入射端（一端）に戻ってくる後方散乱光を光分岐・分波器７により、測定すべき第一の波長の散乱光と第二の波長の散乱光とを分離して取出し、それぞれ光／電気変換器（以下「Ｏ／Ｅ」という。）８ａ、８ｂにより電気信号に変換し、一定の大きさの電気信号になるように増幅率が調節された増幅器９ａ、９ｂにより増幅し、増幅された信号を高速加算器１１で加算し、計算・制御器５で時間間隔ｔｓでサンプリングし、第一の波長の散乱光及び第二の波長の散乱光の時間関数ｇ₁（ｔ）、ｇ₂（ｔ）を計算する。なお、１２は同期信号を発生する同期回路である。
【０００６】
ここで、センサ用光ファイバ１内で発生する散乱光の光量は微弱であり、時間関数ｇ₁（ｔ）、ｇ₂（ｔ）のＳＮ比が悪いので、ＳＮ比を改善するために計算・制御器５で光パルスの入射からサンプリングまでの操作を多数回繰り返し、時間関数ｇ₁（ｔ）、ｇ₂（ｔ）の平均化処理を行ってＳＮ比を改善したＧ₁（ｔ）、Ｇ₂（ｔ）をそれぞれ得る。
【０００７】
ここで、センサ用光ファイバ１内での光速ｖが既知であれば、時間の関数として測定したＧ₁（ｔ）、Ｇ₂（ｔ）をサンプリング距離間隔ｘｓのサンプリング点毎に定義されるセンサ用光ファイバ１に沿った距離の関数Ｇ₁（ｘ）、Ｇ₂ （ｘ）に置き換えることができる。このようにして得られた距離の関数Ｇ₁（ｘ）、Ｇ₂（ｘ）は、それぞれ第一の波長及び第二の波長の後方散乱光強度をセンサ用光ファイバ１の一端で測定したものであるため、ｘｍ地点における散乱光の発生確率Ｒ₁（ｘ）、Ｒ₂（ｘ）との間には数１式及び数２式で表される関係がある。
【０００８】
【数１】

【０００９】
【数２】

【００１０】
但し、Ｐ₀：センサ用光ファイバの入射光強度
α₀：入射光波長の光ファイバ伝送損失ｄＢ／ｍ
γ：後方散乱係数
α₁、α₂：第一、第二の波長の光ファイバ伝送損失
Ｍ₁、Ｍ₂：第一、第二の波長のＯ／Ｅの変換効率
従って、ｘｍ地点における第一、第二の波長の散乱光の発生確率は、それぞれ数３式及び数４式で表され、Ｋ₁、Ｋ₂が分れば測定値Ｇ₁（ｘ）、Ｇ₂（ｘ）を用いて求めることができる。
【００１１】
【数３】

【００１２】
【数４】

【００１３】
但し、Ｋ₁＝Ｐ₀×Ｍ₁×１０^- ^γ ^/10
Ｋ₂＝Ｐ₀×Ｍ₂×１０^- ^γ ^/10
一方、センサ用光ファイバ１内で発生する第一、第二の波長の散乱光の発生確率Ｒ₁、Ｒ₂と、温度Ｔとの間には数５式に表されるような関係があり、センサ用光ファイバ１の距離ｘでの温度Ｔ（ｘ）は、数６式を用いて求めることができる。
【００１４】
【数５】
Ｔ＝Ｑ（Ｒ₁，Ｒ₂）
【００１５】
【数６】
Ｔ（ｘ）＝Ｑ｛Ｒ₁（ｘ），Ｒ₂（ｘ）｝
このようにして、センサ用光ファイバ１の長手方向に沿った温度分布Ｔ（ｘ）を求めることができる。これらの関係を詳細に示すと、以下のようになる。すなわち、第一の波長の散乱光としてはラマン散乱光のストークス光を、第二の波長の散乱光としてはラマン散乱光のアンチストークス光を用いる。これらの散乱光の発生確率Ｒｓ、Ｒａｓと、センサ用光ファイバ１の温度Ｔとの間には数７式に示す関係がある。
【００１６】
【数７】

【００１７】
従って、距離ｘにおける温度は数８式で表される。
【００１８】
但し、ｋ₁、ｋ₂は使用する光源６及びセンサ用光ファイバ１により決まる定数である。
【００１９】
【数８】

【００２０】
定数Ｋは、センサ用光ファイバ１の特定点ｘｒの温度Ｔ（ｘｒ）が分かれば求めることができ、ストークス光及びアンチストークス光波長での光ファイバの伝送損失α₁、α₂は予め測定することができる。従って、ストークス光及びアンチストークス光の波長での後方散乱光強度分布Ｇ₁（ｘ）、Ｇ₂（ｘ）を測定することにより、センサ用光ファイバ１の長手方向に沿って温度分布を求めることができる。
【００２１】
また、数８式から分るように、センサ用光ファイバ１の伝送損失α₁、α₂がセンサ用光ファイバ１に対する外圧により生じたマイクロベンド損等によりΔαずつ変化してもこの変化分は相殺され、温度分布Ｔ（ｘ）はこの影響を受けずに求めることができる。
【００２２】
なお、後方散乱光は、非常に微弱な信号であるため、Ｏ／Ｅ８ａ、８ｂの変換効率Ｍ₁、Ｍ₂は周囲の温度変化により容易に変化してしまう。
【００２３】
そこで、増幅器９ａ、９ｂを計算・制御器５から外部制御してＯ／Ｅ８ａ、８ｂの変換効率Ｍ₁、Ｍ₂が常に一定になるように行っている。この場合、制御方法として計算・制御器５はｘ（ｒ）位置の後方散乱光の大きさが一定になるように増幅器９ａ、９ｂの増幅率を調整している。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、数８式は、伝送損失α₁、α₂の項を含んでおり、これらの値が予め測定された値と異なるときやこれらの伝送損失の変化Δαが波長によって異なるときは温度分布Ｔ（ｘ）の正確な測定ができない。
【００２５】
特にその影響が顕著に見られる例が１台の検出装置で複数の光ファイバの温度を測定するために図４に示す構成を用いた場合である。
【００２６】
図４は温度分布測定センサの他の従来例を示すブロック図である。図５は図４に示した装置の光ファイバ切換装置の概念図である。
【００２７】
図４に示す温度分布測定センサは、被測定箇所に配置される複数のセンサ用光ファイバ１３−１、１３−２、…、１３−ｎと、いずれかのセンサ用光ファイバ１３を選択的に切換える光ファイバ切換装置１４と、センサ用光ファイバ１３からの散乱光を検出する検出装置２と、検出装置２より得られた散乱光のデータ及び検出装置２内に配置された温度センサ（図３参照）４からの温度データよりセンサ用光ファイバ１の長手方向に沿った温度分布を計算する計算・制御器５とで構成されたものである。
【００２８】
図５に示す光ファイバ切換装置は、センサ用光ファイバ１からの出射光をコリメートレンズ１５で平行光化し、対向する光ファイバ１３−１へは他のコリメートレンズ１６−１で集光して結合させる。本光ファイバ切換装置は、メカニカルに出射側光学系あるいは入射側光学系を選択されたセンサ用光ファイバごとに結合系を組む構成をとっている。すなわち、センサ用光ファイバ１とコリメートレンズ１５とを破線で示す位置にメカニカルに平行移動させて対向するコリメートレンズ１６−１、１６−２、…、１６−ｎ及びセンサ用光ファイバ１３−１、１３−２、…、１３−ｎの対に平行光を照射するようになっている。
【００２９】
しかし、光ファイバ切換装置の周囲温度の変化等により、コリメートレンズ１５、１６−１、１６−２、…、１６−ｎとセンサ用光ファイバ１との間のアライメントが変化し、初期値からずれて光ファイバ切換装置の結合効率が変化してしまう。
【００３０】
しかも、このような空間伝搬の結合系では、波長依存をもった損失の変化を伴うため伝送損失の変化Δαが波長により異なり、光ファイバ切換装置より遠方の温度を正確に測定することができない。
【００３１】
ところで、光ファイバ切換装置の損失の長期的な変化については、定期的に損失値を見直すことで解決できる。しかし、損失値を見直すための手間がかかってしまう。また、光ファイバの切換装置の周囲温度の変化による損失の変化については、光ファイバ切換装置の周囲温度を一定に保持する機構を設けることで解決できる。
【００３２】
しかし、光ファイバ切換装置の周囲温度を一定に保持する機構が必要となり、コストがかかってしまうという問題があった。
【００３３】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、散乱光の波長による測定誤差を低減した低コストの光ファイバを用いた温度分布測定センサを提供することにある。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の光ファイバを用いた温度分布測定センサは、被測定箇所に配置される複数のセンサ用光ファイバと、いずれかのセンサ用光ファイバを選択的に切換える光ファイバ切換装置と、選択されたセンサ用光ファイバに光パルスを入射し、センサ用光ファイバから戻ってくる少なくとも２波長の散乱光を検出する検出装置と、全センサ用光ファイバの一部を覆う均熱ケースと、均熱ケース内に設けられ、均熱ケース内の温度を測定する温度センサと、検出装置を制御すると共に、検出装置より得られた散乱光のデータ及び温度センサからの温度データよりセンサ用光ファイバの長手方向に沿った温度分布を計算する計算・制御器とを備えたものである。
【００３５】
上記構成に加え本発明の光ファイバを用いた温度分布測定センサの光ファイバ切換装置は、損失の波長特性が周囲温度等の環境変化により変化する光学機器であるのが好ましい。
【００３７】
本光ファイバを用いた温度分布測定センサが作動すると、センサ用光ファイバで発生した後方散乱光の測定結果が検出装置内で高速加算器に取り込まれる際にＯ／Ｅの変換効率が常に一定になるように制御される。すなわち、光ファイバ切換装置から出射される後方散乱光の光強度が一定になるように増幅率が常に制御される。数８式の定数Ｋを計算するための光ファイバの特定点ｘｒとしては光ファイバ切換装置のセンサ用光ファイバ側の参照部を用い、この参照部の位置（ｘ＝ｘ_r2）での後方散乱光の光強度Ｇ１（ｘ_r2）、Ｇ２（ｘ_r2）と、温度センサで測定した温度データＴ（ｘ_r2）とを用いることで数８式の定数Ｋが計算でき、光ファイバに沿った温度を測定することができる。この場合、光ファイバ切換装置の挿入損失Δαが波長依存によって変化したとしても、計算した温度にはその影響がみられず、正確な温度分布測を行うことができる。
【００３８】
すなわち、本発明によれば、被測定箇所に配置された複数のセンサ用光ファイバのいずれかのセンサ用光ファイバを光ファイバ切換装置で選択的に切換えると共に、光ファイバ切換装置の近傍に配置され、全センサ用光ファイバの一部を覆う均熱ケース内の全センサ用光ファイバの温度を温度センサで測定し、検出装置でセンサ用光ファイバから戻ってくる散乱光を検出し、検出装置からの散乱光のデータ及び温度センサからの温度データを計算・制御器で計算することによりセンサ用光ファイバの長手方向に沿った温度分布が計算されるので、低コスト化でき、散乱光の波長による測定誤差を低減することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００４０】
図１は本発明の光ファイバを用いた温度分布測定センサの一実施の形態を示すブロック図である。なお、図３に示した従来例と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００４１】
同図に示す光ファイバを用いた温度分布測定センサは、主に、被測定箇所に配置される複数のセンサ用光ファイバ１３−１、１３−２、…、１３−ｎと、いずれかのセンサ用光ファイバ１３を選択的に切換える光ファイバ切換装置１４と、選択されたセンサ用光ファイバ１３に光パルスを入射し、センサ用光ファイバ１３から戻ってくる少なくとも２波長の散乱光を検出する検出装置１７と、光ファイバ切換装置１４の近傍に配置され、全センサ用光ファイバ１３−１、１３−２、…、１３−ｎの一部を覆う均熱ケース１８と、均熱ケース１８内に設けられ、全センサ用光ファイバ１３−１、１３−２、…、１３−ｎの温度を測定し、計算・制御器５に温度データを送る温度センサ４と、検出装置１７を制御すると共に、検出装置１７より得られた散乱光のデータ及び温度センサ４からの温度データよりセンサ用光ファイバ１３の長手方向に沿った温度分布を計算する計算・制御器５とで構成されている。
【００４２】
検出装置１７は、同期信号を発生する同期回路１２と、同期信号に応じてパルス光を発光する光源６と、光源６からのパルス光を光ファイバ切換装置に入射する前段（図では左側）の光ファイバ１ａと、光ファイバ１ａを覆う均熱ケース３と、センサ用光ファイバからの散乱光を分波する光分岐器・分波器７と、光分岐器・分波器７で分波された散乱光を電気信号に変換する複数（図では２台であるが限定されない。）のＯ／Ｅ８ａ、８ｂと、Ｏ／Ｅ８ａ、８ｂからの電気信号を増幅する増幅器９ａ、９ｂと、同期信号に同期して増幅器９ａ、９ｂからの出力信号を加算する高速加算器１１とで構成されている。
【００４３】
温度センサ４には白金抵抗体、熱電対、サーミスタ等が用いられる。温度センサ４からの均熱ケース１８内のセンサ用光ファイバ１３の温度データは、計算・制御器５に送られるようになっている。
【００４４】
計算・制御器５は、センサ用光ファイバ１３の温度データと選択した１本のセンサ用光ファイバ１３の後方散乱光データからセンサ用光ファイバ１３の各サンプリング区間毎の温度Ｔ（ｎ）を求めるものである。
【００４５】
光ファイバ切換装置１４は、例えばスターカプラと、スターカプラの分岐導波路に設けられた複数の光スイッチとを用いた光学機器が用いられる（図示せず。）。光スイッチは、各分岐導波路のコアを横断するように形成された溝と、溝内に充填された屈折率整合液と、溝の近傍に配置され、屈折率整合液を溝から蒸発させるヒータと、溝上に配置され蒸発した屈折率を収容するタンクとで構成された公知のスイッチである。
【００４６】
次に図１に示した温度分布測定センサの作用について説明する。
【００４７】
計算・制御器５は、光ファイバ切換装置１４を制御することにより、測定すべきセンサ用光ファイバ１３と、検出装置１７とを光学的に接続する。同期回路１２より一定の周期でトリガ信号を出力し、この信号を受けて、光源６からパルス光が発生される。パルス光は、光分岐・分波器７を通過した後、均熱ケース３及び光ファイバ切換装置１４を介して選択された１本のセンサ用光ファイバ１３内を伝搬する。
【００４８】
ここで、前段の光ファイバ１ａの位置をｘ_r1とし、センサ用光ファイバ１３の位置をｘ_r2とする。センサ用光ファイバ１３の各点で発生する散乱光のうち、後方散乱光成分は入射側に戻る。後方散乱光のうち、ストークス光成分及びアンチストークス光成分のみ、光分岐・分波器７を介してそれぞれＯ／Ｅ８ａ、８ｂで受光され電気信号に変換される。変換された電気信号は増幅器９ａ、９ｂで一定の増幅率で増幅された後、高速加算器１１で一定時間、間隔ｔｓでアナログ／デジタル変換され、時間関数ｇ_s（ｔ）、ｇ_as（ｔ）を測定する。但し、ｇ_s（ｔ）はパルス光発生後、ｔ時間後のストークス光の大きさを表し、ｇ_as（ｔ）はパルス光発生後、ｔ時間後のアンチストークス光の大きさを表す。
【００４９】
また、Ｓ／Ｎ比を改善するために、一定の回数繰り返し、平均化された値Ｇ_s（ｔ）、Ｇ_as（ｔ）をそれぞれ得る。なお、センサ用光ファイバ１３内の光の速度ｖが既知であるので、時間の関数からセンサ用光ファイバ１３の位置の関数に変換でき、それぞれＧ_s（ｘ）、Ｇ_as（ｘ）とする。
【００５０】
計算・制御器５では、後方散乱光データを高速加算器１１より受信するが、Ｇ_s（ｘ_r1）及びＧ_as（ｘ_r1）が常に一定の大きさになるように増幅器９ａ、９ｂの増幅率を調整する。得られた後方散乱光データからｘ＝ｘ_r2の点について注目すると、数８式より数９式が得られる。
【００５１】
【数９】

【００５２】
なお、Ｔ（ｘ_r2）は温度センサ４で測定した既知値であり、Ｇ_as（ｔ）及びＧ_s（ｔ）も後方散乱光データから求まる。従って定数Ｋも既知値となる。
【００５３】
同様にしてｘ（ｘ＞ｘ_r2）の位置の温度は数１０式で表される。
【００５４】
【数１０】

【００５５】
この数１０式の意味するところは、温度計算時に用いられる数１１式で表される損失データ
【００５６】
【数１１】

【００５７】
が波長により損失変化の考えられる前半部Ａ（数１２式）
【００５８】
【数１２】

【００５９】
と損失変化の無い後半部Ｂ（数１３式）
【００６０】
【数１３】

【００６１】
に分割することができる。すなわち、数１１式の前半部Ａは測定ごとの後方散乱光データから求めることができ、数１１式の後半部Ｂは予め測定したデータを用いることで計算できる。
【００６２】
このように、波長依存を伴った損失変化の可能性がある光学部分（光ファイバ切換装置１４）があっても、その後段（図では右側）に全センサ用光ファイバ１３の一部を覆う均熱ケースを設け、その位置で温度センサ４で測定した温度データを利用することにより、正確な温度分布測定が可能となる。
【００６３】
（最適条件についての根拠）
図１に示した実施の形態では、光ファイバ切換装置１４の前段に増幅器９ａ、９ｂの増幅率を制御するための参照部としての均熱ケース３と、光ファイバ切換装置１４の後段に温度を計算するための参照部としての均熱ケース１８の二つの参照部を設けた（増幅器９ａ、９ｂの増幅率を制御するために用いる参照部を光ファイバ切換装置１４の後段に設けた参照部と同様に温度センサを設けた構成としてもよい。）。
【００６４】
すなわち、本実施の形態は、増幅率制御を参照部の信号を用いて行うことによりセンサ用光ファイバ１３の長手方向に沿った温度分布測定を正確に行うことができる。この場合、計算が簡単になり、光ファイバ切換装置１４での挿入損失が変化しても温度計算に誤差が発生しない。
【００６５】
ところで、万一、光ファイバ切換装置１４が故障し、例えばセンサ用光ファイバ１３の切換動作が全く行われない状況になると、光ファイバ切換装置１４から遠方の信号は略零に近い値になってしまう。計算・制御器５で光ファイバ切換装置１４の故障を検知できない場合、非常に大きい増幅率設定を増幅器９ａ、９ｂに行うため、増幅器９ａ、９ｂの故障の原因となる。
【００６６】
そこで、本発明者は増幅率設定用と温度計算用の参照部の位置を分けることにした。
【００６７】
図２は本発明の光ファイバを用いた温度分布測定センサの他の実施の形態を示すブロック図である。
【００６８】
図１に示した実施の形態との相違点は、直列接続された複数のセンサ用の光ファイバを所定の間隔で均熱ケースで覆い、各均熱ケースの温度を温度センサで測定し、温度センサで得られた温度データを利用するようにした点である。なお、図１に示した実施の形態と同様の要素には共通の符号を用いた。
【００６９】
すなわち、本光ファイバを用いた温度分布測定センサは、主に被測定箇所に配置され直列接続される複数のセンサ用光ファイバ１３−１、１３−２、…、１３−ｎと、センサ用光ファイバ１３−１、１３−２、…、１３−ｎに光パルスを入射し、センサ用光ファイバ１３−１、１３−２、…、１３−ｎから戻ってくる少なくとも２波長の散乱光を検出する検出装置１７と、センサ用光ファイバ１３−１、１３−２、…、１３−ｎを所定の間隔で覆う参照部としての均熱ケース２０−１、２０−２、…、２０−ｎと、各均熱ケース２０−１、２０−２、…、２０−ｎ内に設けられ各均熱ケース２０−１、２０−２、…、２０−ｎ内の温度を測定する温度センサ４−１、４−２、…、４−ｎと、検出装置１７を制御すると共に、検出装置１７より得られた散乱光のデータ及び各温度センサ４−１、４−２、…、４−ｎからの温度データよりセンサ用光ファイバ１３−１、１３−２、…、１３−ｎの長手方向に沿った温度分布を計算する計算・制御器５とで構成されたものである。
【００７０】
なお、２１−１、２１−２、…、２１−ｎは波長依存を伴った測定変化を発生する光ファイバ回路の一部である。
【００７１】
波長依存性をもった損失変化がセンサ用光ファイバ１３−１、１３−２、…、１３−ｎの長手方向に沿って複数箇所存在し、かつ、発生箇所の後段に参照部を設けることができ、かつ、参照部の温度を測定することができる場合、図１に示した実施の形態のセンサ用の光ファイバ１３−１、１３−２、…、１３−ｎを直列に組んだ図２に示す構成を用いることによりセンサ用光ファイバ１３−１、１３−２、…、１３−ｎの全ての経路にわたって正確な温度分布測定を行うことができる。
【００７２】
（使用方法、応用システム等）
本発明は、センサ用光ファイバに沿って全長にわたって波長による損失変化を伴わない場合、かつ、波長変化を伴う損失変化が検出装置に近い場所だけに発生する温度計測システムに有効であり、特に、光ファイバ切換装置を用いてセンサ用の光ファイバにより複数の海底ケーブルの温度測定等の用途において有効である。
【００７３】
以上において、本発明によれば、
(1) 光ファイバ切換装置のような波長依存を伴った損失変化の状況下の光ファイバ回路でも正確な温度計測を行うことができる。
【００７４】
(2) 低コストで手間がかからず正確に温度分布を測定することができる。
【００７５】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００７６】
散乱光の波長による測定誤差を低減した低コストの光ファイバを用いた温度分布測定センサの提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバを用いた温度分布測定センサの一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の光ファイバを用いた温度分布測定センサの他の実施の形態を示すブロック図である。
【図３】温度分布測定センサの従来例を示すブロック図である。
【図４】温度分布測定センサの他の従来例を示すブロック図である。
【図５】図４に示した装置の光ファイバ切換装置の概念図である。
【符号の説明】
４温度センサ
５計算・制御器
１３（１３−１、１３−２、…、１３−ｎ）センサ用光ファイバ
１４光ファイバ切換装置
１７検出装置
１８均熱ケース[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a temperature distribution measurement sensor using an optical fiber.
[0002]
[Prior art]
As a physical quantity measuring sensor using an optical fiber, a temperature distribution measuring sensor for measuring a temperature distribution along the optical fiber is generally known.
[0003]
FIG. 3 is a block diagram showing a conventional example of a temperature distribution measuring sensor.
[0004]
The temperature distribution measuring sensor shown in the figure is mainly composed of a sensor optical fiber 1 arranged at a location to be measured, and at least two wavelengths incident on the sensor optical fiber 1 and returning from the sensor optical fiber 1. Device 2 for detecting the scattered light, a soaking case 3 disposed in the sensing device 2 and covering a part of the sensor optical fiber 1, and a temperature of the sensor optical fiber 1 provided in the soaking case 3 The temperature sensor 4 for measuring the temperature and the detection device 2 are controlled, and the temperature distribution along the longitudinal direction of the optical fiber 1 for the sensor is determined from the scattered light data obtained from the detection device 2 and the temperature data from the temperature sensor 4. It is comprised with the calculation and the controller 5 which calculates.
[0005]
An optical pulse generated by the light source 6 of the detection device 2 is incident on one end of the sensor optical fiber 1 through an optical branching / demultiplexing unit 7 such as an optical coupler or an optical demultiplexer. As this light pulse propagates through the sensor optical fiber 1, the backscattered light returning to the light incident end (one end) of the sensor optical fiber 1 out of the scattered light generated at each position of the sensor optical fiber 1. The scattered light of the first wavelength to be measured and the scattered light of the second wavelength to be measured are separated and taken out by the optical branching / demultiplexing unit 7, and are respectively optical / electrical converters (hereinafter referred to as “O / E”). 8a and 8b are converted into electric signals, amplified by amplifiers 9a and 9b whose amplification factors are adjusted so as to become electric signals of a constant magnitude, and the amplified signals are added by high-speed adder 11, The controller 5 samples at time intervals ts, and calculates time functions g ₁ (t) and g ₂ (t) of the scattered light of the first wavelength and the scattered light of the second wavelength. Reference numeral 12 denotes a synchronizing circuit that generates a synchronizing signal.
[0006]
Here, since the amount of scattered light generated in the sensor optical fiber 1 is weak and the SN ratio of the time functions g ₁ (t) and g ₂ (t) is poor, it is calculated to improve the SN ratio. The controller 5 repeats the operation from the incidence of the light pulse to the sampling many times, and performs the averaging process of the time functions g ₁ (t) and g ₂ (t) to improve the SN ratio G ₁ (t), G ₂ (t) is obtained respectively.
[0007]
Here, if the speed of light v in the sensor optical fiber 1 is known, G ₁ (t) and G ₂ (t) measured as a function of time are defined for each sampling point of the sampling distance interval xs. The distance functions G ₁ (x) and G ₂ (x) along the optical fiber 1 can be replaced. The distance functions G ₁ (x) and G ₂ (x) obtained in this way are obtained by measuring the backscattered light intensity of the first wavelength and the second wavelength at one end of the optical fiber 1 for the sensor. Therefore, there is a relationship expressed by Equation 1 and Equation 2 between the occurrence probability R ₁ (x) and R ₂ (x) of scattered light at the point xm.
[0008]
[Expression 1]

[0009]
[Expression 2]

[0010]
However, P ₀ : Incident light intensity of sensor optical fiber α ₀ : Optical fiber transmission loss dB / m of incident light wavelength
γ: backscattering coefficient α ₁ , α ₂ : first and second wavelength optical fiber transmission loss M ₁ , M ₂ : first and second wavelength O / E conversion efficiency Therefore, first at xm point , The occurrence probability of scattered light of the second wavelength is expressed by Equation 3 and Equation 4, respectively, and if K ₁ and K ₂ are known, measured values G ₁ (x) and G ₂ (x) are used. Can be sought.
[0011]
[Equation 3]

[0012]
[Expression 4]

[0013]
_{_{However, K 1 = P 0 × M}} 1 × 10 - γ / 10
K ₂ = P ₀ × M ₂ × 10 ⁻ ^γ ^{/ 10}
On the other hand, there is a relationship expressed by the formula 5 between the generation probabilities R ₁ and R ₂ of the scattered light of the first and second wavelengths generated in the optical fiber for sensor 1 and the temperature T. The temperature T (x) at the distance x of the sensor optical fiber 1 can be obtained using Equation (6).
[0014]
[Equation 5]
T = Q (R ₁ , R ₂ )
[0015]
[Formula 6]
T (x) = Q {R ₁ (x), R ₂ (x)}
In this way, the temperature distribution T (x) along the longitudinal direction of the sensor optical fiber 1 can be obtained. These relationships are shown in detail as follows. That is, the Stokes light of Raman scattered light is used as the scattered light of the first wavelength, and the anti-Stokes light of Raman scattered light is used as the scattered light of the second wavelength. There is a relationship shown in Equation 7 between the occurrence probability Rs, Ras of these scattered light and the temperature T of the optical fiber 1 for sensor.
[0016]
[Expression 7]

[0017]
Therefore, the temperature at the distance x is expressed by Equation 8.
[0018]
Here, k ₁ and k ₂ are constants determined by the light source 6 and the sensor optical fiber 1 to be used.
[0019]
[Equation 8]

[0020]
The constant K can be obtained if the temperature T (xr) of the specific point xr of the sensor optical fiber 1 is known, and the optical fiber transmission losses α ₁ and α ₂ at the Stokes light and anti-Stokes light wavelengths are measured in advance. be able to. Accordingly, the temperature distribution along the longitudinal direction of the sensor optical fiber 1 is obtained by measuring the backscattered light intensity distributions G ₁ (x) and G ₂ (x) at the wavelengths of the Stokes light and the anti-Stokes light. Can do.
[0021]
Further, as can be seen from the equation (8), even if the transmission losses α ₁ and α ₂ of the sensor optical fiber 1 change by Δα due to the microbend loss caused by the external pressure on the sensor optical fiber 1, The temperature distribution T (x) can be obtained without being affected by the cancellation.
[0022]
Note that since the backscattered light is a very weak signal, the conversion efficiencies M ₁ and M ₂ of the O /

Es

8a and 8b easily change due to a change in ambient temperature.
[0023]
Therefore, the amplifiers 9a and 9b are externally controlled from the calculator / controller 5 so that the conversion efficiencies M ₁ and M _{2 of} the O /

Es

8a and 8b are always constant. In this case, as a control method, the calculator / controller 5 adjusts the amplification factors of the amplifiers 9a and 9b so that the magnitude of the backscattered light at the x (r) position is constant.
[0024]
[Problems to be solved by the invention]
However, Equation 8 includes terms of transmission losses α ₁ and α ₂ , and when these values are different from previously measured values or when these transmission loss changes Δα are different depending on the wavelength, the temperature distribution T (X) cannot be measured accurately.
[0025]
An example in which the influence is particularly noticeable is a case where the configuration shown in FIG. 4 is used to measure the temperatures of a plurality of optical fibers with one detection device.
[0026]
FIG. 4 is a block diagram showing another conventional temperature distribution measuring sensor. FIG. 5 is a conceptual diagram of the optical fiber switching device of the apparatus shown in FIG.
[0027]
The temperature distribution measuring sensor shown in FIG. 4 selectively selects a plurality of sensor optical fibers 13-1, 13-2,... An optical fiber switching device 14 for switching, a detection device 2 for detecting scattered light from the sensor optical fiber 13, data of scattered light obtained from the detection device 2, and a temperature sensor disposed in the detection device 2 (FIG. 3). Reference) It is composed of a calculator / controller 5 for calculating the temperature distribution along the longitudinal direction of the optical fiber 1 for the sensor from the temperature data from 4.
[0028]
The optical fiber switching device shown in FIG. 5 collimates the outgoing light from the sensor optical fiber 1 with a collimator lens 15 and condenses and couples it to the opposite optical fiber 13-1 with another collimator lens 16-1. Let This optical fiber switching device has a configuration in which a coupling system is assembled for each optical fiber for a sensor for which an emission side optical system or an incident side optical system is mechanically selected. That is, collimating lenses 16-1, 16-2, ..., 16-n and sensor optical fiber 13-1, which are opposed to each other by mechanically translating sensor optical fiber 1 and collimating lens 15 to positions indicated by broken lines, A pair of 13-2,..., 13-n is irradiated with parallel light.
[0029]
However, the alignment between the collimating lenses 15, 16-1, 16-2,..., 16 -n and the sensor optical fiber 1 changes due to a change in the ambient temperature of the optical fiber switching device, etc., and deviates from the initial value. As a result, the coupling efficiency of the optical fiber switching device changes.
[0030]
Moreover, in such a spatial propagation coupling system, a change in transmission loss Δα varies depending on the wavelength due to a change in wavelength-dependent loss, and a temperature far from the optical fiber switching device cannot be measured accurately.
[0031]
By the way, the long-term change in the loss of the optical fiber switching device can be solved by periodically reviewing the loss value. However, it takes time to review the loss value. Further, a change in loss due to a change in the ambient temperature of the optical fiber switching device can be solved by providing a mechanism for keeping the ambient temperature of the optical fiber switching device constant.
[0032]
However, there is a problem that a mechanism for keeping the ambient temperature of the optical fiber switching device constant is required, which increases costs.
[0033]
Therefore, an object of the present invention is to provide a temperature distribution measurement sensor using a low-cost optical fiber that solves the above-described problems and reduces measurement errors due to the wavelength of scattered light.
[0034]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a temperature distribution measurement sensor using an optical fiber according to the present invention includes a plurality of sensor optical fibers arranged at a location to be measured and an optical fiber that selectively switches one of the sensor optical fibers. A switching device, a detection device for detecting a scattered light of at least two wavelengths returning from the sensor optical fiber, and an average covering all of the sensor optical fibers. A heat case, a temperature sensor that is provided in the soaking case, measures the temperature in the soaking case, and controls the detection device, and from the scattered light data obtained from the detection device and the temperature data from the temperature sensor And a calculator / controller for calculating a temperature distribution along the longitudinal direction of the optical fiber for the sensor.
[0035]
In addition to the above configuration, the optical fiber switching device of the temperature distribution measuring sensor using the optical fiber of the present invention is preferably an optical device in which the wavelength characteristic of the loss changes due to environmental changes such as ambient temperature.
[0037]
When the temperature distribution measurement sensor using this optical fiber is activated, the O / E conversion efficiency is always constant when the measurement result of the backscattered light generated in the sensor optical fiber is taken into the high-speed adder in the detection device. It is controlled to become. That is, the amplification factor is always controlled so that the light intensity of the backscattered light emitted from the optical fiber switching device is constant. As the specific point xr of the optical fiber for calculating the constant K in the equation (8), a reference part on the optical fiber side for the sensor of the optical fiber switching device is used, and backscattering at the position of this reference part (x = x _r2 ) By using the light intensity G1 (x _r2 ), G2 (x _r2 ) of the light and the temperature data T (x _r2 ) measured by the temperature sensor, the constant K in Equation 8 can be calculated, and the temperature along the optical fiber Can be measured. In this case, even if the insertion loss Δα of the optical fiber switching device changes depending on wavelength dependence, the calculated temperature is not affected, and accurate temperature distribution measurement can be performed.
[0038]
That is, according to the present invention, one of the plurality of sensor optical fibers arranged at the measurement site is selectively switched by the optical fiber switching device and is disposed in the vicinity of the optical fiber switching device. Measure the temperature of all the sensor optical fibers in the soaking case that covers a part of all the sensor optical fibers with the temperature sensor, detect the scattered light returning from the sensor optical fiber with the detection device, The temperature distribution along the longitudinal direction of the sensor optical fiber is calculated by calculating the scattered light data and the temperature data from the temperature sensor with the controller. Measurement error can be reduced.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0040]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a temperature distribution measuring sensor using an optical fiber of the present invention. In addition, the same code | symbol was used for the member similar to the prior art example shown in FIG.
[0041]
The temperature distribution measuring sensor using the optical fiber shown in the figure mainly includes a plurality of sensor optical fibers 13-1, 13-2,... Optical fiber switching device 14 for selectively switching optical fiber 13 and detection for detecting a scattered light of at least two wavelengths returning from sensor optical fiber 13 by entering a light pulse into selected optical fiber 13 for sensor A soaking case 18 disposed in the vicinity of the device 17 and the optical fiber switching device 14 and covering a part of all the sensor optical fibers 13-1, 13-2,. The temperature sensors 4 provided to measure the temperatures of the optical fibers 13-1, 13-2,..., 13-n for all sensors and send temperature data to the calculator / controller 5 and the detector 17 are controlled. Obtained from the detector 17 It is composed of a calculation and control unit 5 to calculate the temperature distribution along the longitudinal direction of the sensor optical fiber 13 from the temperature data from the data and the temperature sensor 4 of the scattered light.
[0042]
The detection device 17 includes a synchronization circuit 12 that generates a synchronization signal, a light source 6 that emits pulsed light in response to the synchronization signal, and a stage before the pulsed light from the light source 6 enters the optical fiber switching device (left side in the figure). The optical fiber 1a, the soaking case 3 that covers the optical fiber 1a, the optical branching / demultiplexing unit 7 that demultiplexes the scattered light from the sensor optical fiber, and the optical branching / demultiplexing unit 7 are demultiplexed. A plurality of (two, but not limited to) O /

Es

8a and 8b that convert the scattered light into electrical signals, amplifiers 9a and 9b that amplify electrical signals from the O /

Es

8a and 8b, and synchronization signals And a high-speed adder 11 that adds output signals from the amplifiers 9a and 9b.
[0043]
The temperature sensor 4 is a platinum resistor, a thermocouple, a thermistor, or the like. The temperature data of the sensor optical fiber 13 in the soaking case 18 from the temperature sensor 4 is sent to the calculator / controller 5.
[0044]
The calculator / controller 5 obtains the temperature T (n) for each sampling section of the sensor optical fiber 13 from the temperature data of the sensor optical fiber 13 and the backscattered light data of the selected single sensor optical fiber 13. Is.
[0045]
As the optical fiber switching device 14, for example, an optical device using a star coupler and a plurality of optical switches provided in the branch waveguide of the star coupler is used (not shown). The optical switch includes a groove formed so as to cross the core of each branching waveguide, a refractive index matching liquid filled in the groove, and a heater disposed near the groove to evaporate the refractive index matching liquid from the groove. And a known switch composed of a tank disposed on the groove and storing the evaporated refractive index.
[0046]
Next, the operation of the temperature distribution measurement sensor shown in FIG. 1 will be described.
[0047]
The calculation / control unit 5 optically connects the sensor optical fiber 13 to be measured and the detection device 17 by controlling the optical fiber switching device 14. A trigger signal is output from the synchronization circuit 12 at a constant cycle, and pulse light is generated from the light source 6 in response to this signal. After passing through the optical branching / branching device 7, the pulse light propagates through the single optical fiber 13 for sensor selected through the heat equalizing case 3 and the optical fiber switching device 14.
[0048]
Here, the position of the front optical fiber 1a is _xr1, and the position of the sensor optical fiber 13 is _xr2 . Of the scattered light generated at each point of the sensor optical fiber 13, the backscattered light component returns to the incident side. Of the backscattered light, only the Stokes light component and the anti-Stokes light component are received by the O /

Es

8a and 8b through the optical branching / demultiplexing unit 7 and converted into electrical signals. The converted electrical signal is amplified by the amplifiers 9a and 9b at a constant amplification factor, and then analog / digital converted by the high-speed adder 11 at an interval ts for a predetermined time, and the time functions g _s (t), g _as (t ). Here, g _s (t) represents the magnitude of Stokes light after time t after the generation of pulsed light, and g _as (t) represents the magnitude of anti-Stokes light after time t after the generation of pulsed light.
[0049]
Further, in order to improve the S / N ratio, it is repeated a certain number of times, and averaged values G _s (t) and G _as (t) are respectively obtained. Since the speed of light v in the sensor optical fiber 13 is known, it can be converted from a function of time into a function of the position of the sensor optical fiber 13, which is G _s (x) and G _as (x), respectively. .
[0050]
The calculator / controller 5 receives the backscattered light data from the high-speed adder 11 and amplifies the amplifiers 9a and 9b so that G _s (x _r1 ) and G _as (x _r1 ) are always constant. Adjust the rate. When attention is paid to the point of x = x _r2 from the obtained backscattered light data, Equation 9 is obtained from Equation 8.
[0051]
[Equation 9]

[0052]
T (x _r2 ) is a known value measured by the temperature sensor 4, and G _as (t) and G _s (t) are also obtained from the backscattered light data. Therefore, the constant K is also a known value.
[0053]
Similarly, the temperature at the position of x (x> x _r2 ) is expressed by the following equation (10).
[0054]
[Expression 10]

[0055]
The meaning of the formula 10 is loss data represented by the formula 11 used when calculating the temperature.
[Expression 11]

[0057]
The first half A where the loss change is considered to depend on the wavelength (Formula 12)
[0058]
[Expression 12]

[0059]
And the latter half of the loss B (Formula 13)
[0060]
[Formula 13]

[0061]
Can be divided into That is, the first half A of Equation 11 can be obtained from backscattered light data for each measurement, and the latter half B of Equation 11 can be calculated by using previously measured data.
[0062]
In this way, even if there is an optical part (optical fiber switching device 14) that has a possibility of a loss change with wavelength dependence, a uniform covering the part of all the sensor optical fibers 13 in the subsequent stage (right side in the figure). By providing a heat case and using temperature data measured by the temperature sensor 4 at that position, accurate temperature distribution measurement can be performed.
[0063]
(Grounds for optimal conditions)
In the embodiment shown in FIG. 1, the temperature equalizing case 3 as a reference unit for controlling the amplification factors of the amplifiers 9 a and 9 b is provided upstream of the optical fiber switching device 14, and the temperature is provided downstream of the optical fiber switching device 14. Two reference portions of the soaking case 18 as reference portions for calculation are provided (a reference portion used to control the amplification factors of the amplifiers 9a and 9b is provided at the subsequent stage of the optical fiber switching device 14; and Similarly, a configuration in which a temperature sensor is provided may be employed.
[0064]
That is, in this embodiment, the temperature distribution measurement along the longitudinal direction of the sensor optical fiber 13 can be accurately performed by performing amplification factor control using the signal of the reference unit. In this case, the calculation is simplified, and no error occurs in the temperature calculation even if the insertion loss in the optical fiber switching device 14 changes.
[0065]
By the way, if the optical fiber switching device 14 breaks down and, for example, the switching operation of the sensor optical fiber 13 is not performed at all, the signal far from the optical fiber switching device 14 becomes a value close to zero. End up. When the failure of the optical fiber switching device 14 cannot be detected by the calculator / controller 5, a very large amplification factor is set in the amplifiers 9a and 9b, which causes a failure of the amplifiers 9a and 9b.
[0066]
Therefore, the present inventor decided to divide the position of the reference section for gain setting and temperature calculation.
[0067]
FIG. 2 is a block diagram showing another embodiment of a temperature distribution measuring sensor using the optical fiber of the present invention.
[0068]
The difference from the embodiment shown in FIG. 1 is that a plurality of optical fibers for sensors connected in series are covered with a soaking case at a predetermined interval, and the temperature of each soaking case is measured with a temperature sensor. The temperature data obtained with the sensor is used. In addition, the same code | symbol was used for the element similar to embodiment shown in FIG.
[0069]
That is, a temperature distribution measurement sensor using this optical fiber is mainly composed of a plurality of sensor optical fibers 13-1, 13-2,... A light pulse is incident on the fibers 13-1, 13-2,..., 13-n, and at least two wavelengths of scattered light returning from the sensor optical fibers 13-1, 13-2,. , 20-n as reference parts covering the optical fibers 13-1, 13-2,..., 13-n at predetermined intervals. , 20-n provided in each soaking case 20-1, 20-2,..., 20-n, and a temperature sensor 4-1 for measuring the temperature in each soaking case 20-1, 20-2,. , 4-2,..., 4-n and the detection device 17 and the detection device 17 .. Along the longitudinal direction of the sensor optical fibers 13-1, 13-2,..., 13-n from the scattered light data and the temperature data from the temperature sensors 4-1, 4-2,. And a calculator / controller 5 for calculating the temperature distribution.
[0070]
21-1, 21-2,..., 21-n are part of an optical fiber circuit that generates a measurement change with wavelength dependence.
[0071]
A loss change having wavelength dependency may exist at a plurality of locations along the longitudinal direction of the sensor optical fibers 13-1, 13-2,..., 13-n, and a reference portion may be provided after the occurrence location. FIG. 2 in which the optical fibers 13-1, 13-2,..., 13-n for the sensor of the embodiment shown in FIG. By using the configuration shown in FIG. 5, accurate temperature distribution measurement can be performed over all the paths of the sensor optical fibers 13-1, 13-2,..., 13-n.
[0072]
(Usage method, application system, etc.)
The present invention is effective for a temperature measurement system in which a loss change due to a wavelength is not accompanied by a wavelength along the entire length of the sensor optical fiber, and the loss change accompanied by the wavelength change is generated only in a location close to the detection device. It is effective in applications such as temperature measurement of a plurality of submarine cables using an optical fiber for a sensor using an optical fiber switching device.
[0073]
In the above, according to the present invention,
(1) An accurate temperature measurement can be performed even in an optical fiber circuit under the condition of a loss change with wavelength dependence such as an optical fiber switching device.
[0074]
(2) The temperature distribution can be measured accurately at low cost and with little effort.
[0075]
【The invention's effect】
In short, according to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
[0076]
It is possible to provide a temperature distribution measurement sensor using a low-cost optical fiber with reduced measurement error due to the wavelength of scattered light.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a temperature distribution measuring sensor using an optical fiber of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing another embodiment of a temperature distribution measuring sensor using the optical fiber of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a conventional example of a temperature distribution measurement sensor.
FIG. 4 is a block diagram illustrating another conventional example of a temperature distribution measurement sensor.
5 is a conceptual diagram of an optical fiber switching device of the device shown in FIG.
[Explanation of symbols]
4 Temperature sensor 5 Calculator / controller 13 (13-1, 13-2,..., 13-n) Optical fiber for sensor 14 Optical fiber switching device 17 Detection device 18 Soaking case

Claims

A plurality of sensor optical fibers arranged at a measurement location, an optical fiber switching device that selectively switches one of the sensor optical fibers, and an optical pulse incident on the selected sensor optical fiber. A detection device for detecting scattered light of at least two wavelengths returning from the optical fiber; a soaking case that covers a part of the optical fibers for all sensors; and a temperature in the soaking case provided in the soaking case. The temperature sensor for measuring the temperature and the detection device are controlled, and the temperature distribution along the longitudinal direction of the optical fiber for the sensor is calculated from the scattered light data obtained from the detection device and the temperature data from the temperature sensor. And a temperature distribution measuring sensor using an optical fiber.

2. The temperature distribution measuring sensor using an optical fiber according to claim 1, wherein the optical fiber switching device is an optical device whose wavelength characteristic of loss changes due to an environmental change such as an ambient temperature.