JP4322717B2 - 光ファイバ温度分布測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバに光パルスを入射したときに発生するラマン散乱光を用いて光ファイバの温度分布を測定する光ファイバ温度分布測定装置に関し、特にラマン散乱光のストークス光の波長とアンチストークス光の波長とが同一波長となるように構成した光ファイバ温度分布測定装置に関する。

従来、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometry）技術を活用して、光ファイバ内で発生するラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光の光強度を検出し、これに基づいて光ファイバの温度分布を測定する光ファイバ温度分布測定装置があった。（例えば、特許文献1参照）

特開平５−１５７６３７号公報

従来の光ファイバ温度分布測定装置の概略構成を図５に示す。光パルス発生手段７は波長λｐの光パルスを発生し光合分波器８へ出射する。光合分波器８は、光パルス発生手段７からの光パルスを受けて光ファイバ１０へ出射し、そして、光ファイバ１０からのラマン散乱光を含む後方散乱光を受けて、この後方散乱光に含まれているラマン散乱光のストークス光（波長λｓ）及びアンチストークス光（波長λａｓ）をそれぞれ、処理手段９からの制御信号にしたがって順次分波（透過）して受光器（ＰＤ）４へ出射する。受光器４は、光合分波器８から順次入射されるストークス光及びアンチストークス光を受光して、電気信号に変換し、処理手段９へ出力する。処理手段９は、受光器６からの電気信号のデータ処理、すなわちＡ／Ｄ変換、平均化処理、演算等を行って、ストークス光及びアンチストークス光の光強度から光ファイバの温度分布特性を求める。また、処理手段９は、光合分波器８が分波する波長を、上述の平均化処理に合わせて、ストークス光の波長λｓとアンチストークス光の波長λａｓに順次切り替えるための制御信号を光合分波器８へ出力する。なお、光ファイバ１０に入射される光パルスの波長λｐが、例えば１．５５μｍとすると、光ファイバ１０内で発生するラマン散乱光のストークス光の波長λｓは１．６５μｍ、アンチストークス光の波長λａｓは１．４５μｍである。

光合分波器８は、図６に示すように構成されている。すなわち、光学フィルタ８ａは、光パルス発生手段７から入射される光パルス（波長λｐ）を透過して光ファイバ１０へ出射し、そして、光ファイバ１０から入射される後方散乱光のうちラマン散乱光を光学フィルタ８ｂへ向けて反射する。光学フィルタ８ｂは、光学フィルタ８ａから入射されるラマン散乱光を光学フィルタ８ｃ（又は光学フィルタ８ｄ）に向けて反射する。光学フィルタ８ｃは、ラマン散乱光のうちアンチストークス光（波長λａｓ）のみ透過し、また光学フィルタ８ｄはストークス光（波長λｓ）のみを透過して、それぞれ受光器４へ出射する。なお、光学フィルタ８ｃ及び光学フィルタ８ｄは、処理手段９から入力される制御信号で制御されるアクチュエータ８ｅによって、選択的に光路に配置される。

しかしながら、このような従来の光ファイバ温度分布測定装置では、波長の異なる３つの光、すなわちアンチストークス光（波長λａｓ）、光パルス（波長λｐ）及びストークス光（波長λｓ）を、例えば上述の光合分波器８のような光フィルタで分離しなければならないために、光フィルタの構造が複雑となり装置の小型化、経済化には不向きであるという問題があった。なお、光フィルタとして、回折格子を用いることも可能であるが、アンチストークス光及びストークス光を同一光路に回折させるためには、アクチュエータ等の回折角変更手段が必要であり、やはり構造が複雑となり装置の小型化、経済化には不向きである。

また、光ファイバ内で発生するラマン散乱光は非常に微弱なために、温度分布測定を感度良く行うための光パルスのピークレベルとしては＋４５ｄＢｍ程度が必要で、光パルス発生手段から出射された光パルスをそのまま用いるのでは十分ではないという問題があった。これを解決する方法として、光パルス発生手段からの光パルスを光増幅器で増幅して光ファイバに入射することも考えられるが、例えば光パルスの波長λｐを１．５５μｍとし、光増幅器としてＥＤＦＡ（エルビウムドープ光ファイバ増幅器）を用いるような場合、ＥＤＦＡの適正な使用法から逸脱してしまい信頼性に欠けるという問題が生じる。すなわち、ＥＤＦＡに光パルスを入射すると、光サージ現象により、ＥＤＦＡの飽和光出力レベル（＋２０ｄＢｍ程度）よりも大きな光パルスのピークレベル、例えば＋４５ｄＢｍ程度まで出力させることも可能であるが、このようなＥＤＦＡの使用法は適正ではなく信頼性に欠ける。

本発明は、これらの課題を解決し、ラマン散乱光のストークス光の波長とアンチストークス光の波長とが同一波長になるように構成した光ファイバ温度分布測定装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光ファイバ温度分布測定装置では、光ファイバに光パルスを出射し、該光パルスによって前記光ファイバ内で発生するラマン散乱光を含む後方散乱光を前記光ファイバから受け、前記後方散乱光に含まれている前記ラマン散乱光のストークス光及びアンチストークス光を検出し、該ストークス光及びアンチストークス光の光強度に基づいて前記光ファイバの温度分布測定を行う光ファイバ温度分布測定装置において、第１の波長λ ₁ 及び第２の波長λ ₂ を含む光パルスが前記光ファイバに入射されたときに、前記第１の波長λ ₁ の光パルスによって前記光ファイバ内で発生する前記ラマン散乱光におけるストークス光の波長λｓと、前記第２の波長λ ₂ の光パルスによって前記光ファイバ内で発生する前記ラマン散乱光におけるアンチストークス光の波長λａｓとが共に、λ ₁ ＜λ ₀ ＜λ ₂ を満たす波長λ ₀ とほぼ同一となる、前記第１の波長λ ₁ の光パルス及び前記第２の波長λ ₂ の光パルスを所定周期で交互に繰り返し発生する光パルス発生手段（１）と、前記光パルスを前記光パルス発生手段から受けて前記光ファイバに出射し、かつ、該光ファイバからの前記後方散乱光を分岐して出射する光カプラ（２）と、該光カプラから入射される前記後方散乱光から、前記波長λ ₀ でなる前記ストークス光及びアンチストークス光を選択して出射する波長選択手段（３）と、該波長選択手段からの前記ストークス光及びアンチストークス光を受けて電気信号に変換する受光器（４）と、前記光パルス発生手段から交互に繰り返し発生する第1の波長λ ₁ 及び第２の波長λ ₂ の光パルスが前記光ファイバへ前記所定周期で入射するタイミングに同期して、前記電気信号のデータ処理を行って、前記ストークス光及びアンチストークス光の光強度から前記光ファイバの温度分布特性を求める処理手段（５）と、前記光パルスの所定周期を制御する制御信号（ｃ）を前記光パルス発生手段へ出力するとともに、前記光パルスの所定周期に同期した前記データ処理に必要なタイミング信号（ｂ）を前記処理手段へ出力する制御手段（６）とを備えている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項２の光ファイバ温度分布測定装置では、上述した請求項１の光ファイバ温度分布測定装置において、前記波長選択手段が、光フィルタ及び波長選択性を有する光増幅器のうち少なくとも一方で構成されるようにしている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項３の光ファイバ温度分布測定装置では、上述した請求項１の光ファイバ温度分布測定装置において、前記第１の波長λ ₁ が１．４５μｍ、前記第２の波長λ ₂ が１．６５μｍ、前記波長λ ₀ が１．５５μｍ及び前記波長選択手段がエルビウムドープ光ファイバ増幅器でなるようにしている。

本発明の請求項１の光ファイバ温度分布測定装置では、第１の波長λ ₁ 及び第２の波長λ ₂ を含む光パルスを光ファイバに入射したときに、第１の波長λ ₁ の光パルスによって光ファイバ内で発生するラマン散乱光におけるストークス光の波長λｓと、第２の波長λ ₂ の光パルスによって光ファイバ内で発生するラマン散乱光におけるアンチストークス光の波長λａｓとが共に、λ ₁ ＜λ ₀ ＜λ ₂ を満たす波長λ ₀ とほぼ同一となるようにしたので、ストークス光及びアンチストークス光をそれぞれ、共通の一つの波長λ ₀ の波長選択手段で選択することができる。この結果、異なる二つの波長、すなわち波長λｓと波長λａｓとをそれぞれ選択しなければならなかった従来の光分波器（光フィルタ）に比べて、波長選択手段が単純化でき装置の小型化、経済化が図れる。

更に、本発明の請求項１の光ファイバ温度分布測定装置では、第１の波長λ ₁ の光パルスと第２の波長λ ₂ の光パルスとを交互に繰り返して光ファイバに入射するようにしたので、ストークス光及びアンチストークス光の光強度をそれぞれ別個に検出でき、絶対温度の測定が可能となる。

本発明の請求項２の光ファイバ温度分布測定装置では、上述の請求項１において、更に、波長選択手段が、光フィルタ及び波長選択性を有する光増幅器のうち少なくとも一方で構成されるようにしたので、波長選択性を有する光増幅器で構成したときには、ストークス光及びアンチストークス光を増幅して温度分布の測定感度を良くすることができる。したがって、光ファイバへ入射する光パルスを増幅するための光増幅器を用いないで済むために、発明が解決しようとする課題の項で述べた光増幅器の不適正な使用法を避けることができる。

本発明の請求項３の光ファイバ温度分布測定装置では、上述した請求項１において、更に、前記第１の波長λ ₁ が１．４５μｍ、前記第２の波長λ ₂ が１．６５μｍ、前記波長λ ₀ が１．５５μｍ及び前記波長選択手段がエルビウムドープ光ファイバ増幅器となるようにした。この結果、波長選択手段をエルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）のみで構成することができ、装置の小型化、経済化が図れるとともに、ストークス光及びアンチストークス光をＥＤＦＡで増幅して温度分布の測定感度を良くすることができる。

以下に本発明の実施例を記載する。

本発明の実施例１の光ファイバ温度分布測定装置の構成を図１に、また光パルス発生手段１の光パルス発生のタイミングを図２に示す。光パルス発生手段１は、例えばＦＰ半導体レーザでなる光源１ａ及び光源１ｂ並びにスイッチ１ｃ及び光カプラ１ｄで構成されており、制御手段６から出力される駆動パルスｄ及び制御信号ｃを入力して、波長λ ₁ の光パルスと波長λ ₂ の光パルスとが交互に繰り返される光パルスａを発生して光カプラ２へ出射する。すなわち、光源１ａ及び光源１ｂは、制御信号ｃによって切り替えられるスイッチ１ｃから選択的に供給される駆動パルスｄによって、それぞれ、波長λ ₁ の光パルスａ１及び波長λ ₂ の光パルスａ２を発生し光カプラ１ｄへ出射する。光カプラ１ｄは、この光パルスａ１及び光パルスａ２を合波してなる光パルスａを光カプラ２へ出射する。

なお、この光パルス発生手段１で発生される光パルスａにおける波長λ ₁ と波長λ ₂ の関係は、図３に示すように、波長λ ₁ 及び波長λ ₂ を含む光パルスａが光ファイバ１０に入射されたときに、波長λ ₁ の光パルスによって発生するラマン散乱光のストークス光の波長λｓと、波長λ ₂ の光パルスによって発生するラマン散乱光のアンチストークス光の波長λａｓとが共に、λ ₁ ＜λ ₀ ＜λ ₂ を満たす波長λ ₀ とほぼ同一となるような、波長λ ₁ 及び波長λ ₂ となっている。具体的には、ストークス光の波長λｓとアンチストークス光の波長λａｓとが共に同一となる波長λ ₀ を、例えば１．５５μｍとすると、波長λ ₁ は１．４５μｍ、波長λ ₂ は１．６５μｍとなる。

光カプラ２は、光パルスａを光パルス発生手段１から受けて光ファイバ１０に出射し、そして、光ファイバ１０から入射されるラマン散乱光を含む後方散乱光を受けて、波長選択手段３へ出射する。波長選択手段３は、光フィルタ３ａ及び光増幅器３ｂで構成されており、光カプラ２からの後方散乱光を受け、光カプラ２から光ファイバ１０に出射される光パルスａが波長λ ₁ の光パルスであるときには、この後方散乱光に含まれているラマン散乱光のストークス光（波長λｓ＝λ ₀ ）を選択し、また波長λ ₂ の光パルスであるときには、この後方散乱光に含まれているラマン散乱光のアンチストークス光（波長λａｓ＝λ ₀ ）を選択して、それぞれ増幅して受光器（ＰＤ）４へ出射する。なお、波長選択手段３は、ストークス光の場合も、アンチストークス光の場合も、共に波長λ ₀ の光を選択すればよいので、光フィルタ３ａとしては、一つの誘電体フィルタ、回折角を固定した回折格子等、単純な構成とすることができる。

受光器４は、波長選択手段３から順次入射されるストークス光及びアンチストークス光を受光して、電気信号に変換し、処理手段５へ出力する。処理手段５は、受光器４からの電気信号を受けるとともに、制御手段６から出力されるタイミング信号ｂを受けて、この電気信号のデータ処理、すなわちＡ／Ｄ変換、平均化処理、演算等を行って、ストークス光及びアンチストークス光のそれぞれの光強度から光ファイバの温度分布特性を求める。この場合、ストークス光及びアンチストークス光の光強度をそれぞれ別個に検出しているので、絶対温度で温度分布特性を測定することができる。なお、上述のタイミング信号ｂには、入力される電気信号がストークス光のものか又はアンチストークス光のものかを識別できる情報、光パルスａのパルス幅、周期等の情報が含まれている。制御手段６は、駆動パルスｄ及び制御信号ｃを光パルス発生手段１へ、またデータ処理用のタイミング信号ｂを処理手段５へ、それぞれ出力する。

なお、光パルス発生手段１としては、図１に示すものの他に、図４に示すものでもよい。すなわち、例えばＦＰ半導体レーザでなる光源１１ａ及び光源１１ｂは、駆動パルスｄによって、それぞれ、波長λ ₁ の光パルス及び波長λ ₂ の光パルスを発生し光スイッチ１１ｃへ出射する。光スイッチ１１ｃは、制御信号ｃによって切り替えられて、入射された波長λ ₁ の光パルスと波長λ ₂ の光パルスを交互に選択して出射する。この結果、図１における光パルスａと同一となる。また、図１及び図４に示す光パルス発生手段１では、波長の異なる二つの光源を用いるようにしているが、波長の変更可能な一つのレーザ光源を制御して、二つの波長を交互に発生させるようにしてもよい。また、光パルス発生手段１から出射される光パルスａは、図２に示すように、波長λ ₁ の光パルスと波長λ ₂ の光パルスが一つずつ交互になっているが、複数ずつ、例えば二つずつ交互になるようにしてもよい。その場合、制御信号ｃをそれに対応するように変えることは言うまでもない。

なお、上述の実施例では、波長選択手段３は光フィルタ３ａ及び光増幅器３ｂで構成されるようにしているが、光フィルタ３ａのみであってもよいし、また光増幅器３ｂが例えば１．５５μｍ帯のＥＤＦＡのような波長選択性を有する増幅器である場合には、波長選択性を有する増幅器３ｂのみであってもよい。

また、光パルス手段で発生される光パルスの波長λ ₁ 及び波長λ ₂ については、波長λ ₁ によるストークス光の波長λｓと、波長λ ₂ によるアンチストークス光の波長λａｓとが、完全に同一の波長λ ₀ となるような波長λ ₁ 及び波長λ ₂ を選択しなくても良い。なお、各波長は、λ ₁ ＜λｓ＜λ ₂ 及びλ ₁ ＜λａｓ＜λ ₂ の関係を満たしている。

例えば、上述のように、波長選択手段３を１．５５μｍ帯のＥＤＦＡで構成し、そのＥＤＦＡの帯域が１．５３μｍ〜１．５６μｍである場合、波長λ ₁ によるストークス光の波長λｓと、波長λ ₂ によるアンチストークス光の波長λａｓとの波長が全く同一でなくても、いずれもがその帯域内に含まれるように構成されていれば、本発明の効果を奏する。

本発明の実施例の構成を示す図 本発明の実施例の光パルス発生手段の動作を説明するための図 本発明の実施例の光パルスの波長を説明するための図 本発明の実施例の光パルス発生手段の別の構成を示す図 従来例の概略構成を示す図 従来例の光合分波器の構成を示す図

符号の説明

１，７・・・光パルス発生手段、１ａ，１ｂ，１１ａ，１１ｂ，・・・光源、１ｃ・・・スイッチ、１ｄ，２・・・光カプラ、３・・・波長選択手段、３ａ・・・光フィルタ、３ｂ・・・光増幅器、４・・・受光器、５，９・・・処理手段、６・・・制御手段、８・・・光合分波器、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ・・・光学フィルタ、８ｅ・・・アクチュエータ、１０・・・光ファイバ、１１ｃ・・・光スイッチ。

Claims (3)

1. 光ファイバに光パルスを出射し、該光パルスによって前記光ファイバ内で発生するラマン散乱光を含む後方散乱光を前記光ファイバから受け、前記後方散乱光に含まれている前記ラマン散乱光のストークス光及びアンチストークス光を検出し、該ストークス光及びアンチストークス光の光強度に基づいて前記光ファイバの温度分布測定を行う光ファイバ温度分布測定装置において、
   第１の波長λ ₁ 及び第２の波長λ ₂ を含む光パルスが前記光ファイバに入射されたときに、前記第１の波長λ ₁ の光パルスによって前記光ファイバ内で発生する前記ラマン散乱光におけるストークス光の波長λｓと、前記第２の波長λ ₂ の光パルスによって前記光ファイバ内で発生する前記ラマン散乱光におけるアンチストークス光の波長λａｓとが共に、λ ₁ ＜λ ₀ ＜λ ₂ を満たす波長λ ₀ とほぼ同一となる、前記第１の波長λ ₁ の光パルス及び前記第２の波長λ ₂ の光パルスを所定周期で交互に繰り返し発生する光パルス発生手段（１）と、
   前記光パルスを前記光パルス発生手段から受けて前記光ファイバに出射し、かつ、該光ファイバからの前記後方散乱光を分岐して出射する光カプラ（２）と、
   該光カプラから入射される前記後方散乱光から、前記波長λ ₀ でなる前記ストークス光及びアンチストークス光を選択して出射する波長選択手段（３）と、
   該波長選択手段からの前記ストークス光及びアンチストークス光を受けて電気信号に変換する受光器（４）と、
   前記光パルス発生手段から交互に繰り返し発生する第1の波長λ ₁ 及び第２の波長λ ₂ の光パルスが前記光ファイバへ前記所定周期で入射するタイミングに同期して、前記電気信号のデータ処理を行って、前記ストークス光及びアンチストークス光の光強度から前記光ファイバの温度分布特性を求める処理手段（５）と、
   前記光パルスの所定周期を制御する制御信号（ｃ）を前記光パルス発生手段へ出力するとともに、前記光パルスの所定周期に同期した前記データ処理に必要なタイミング信号（ｂ）を前記処理手段へ出力する制御手段（６）とを備えたことを特徴とする光ファイバ温度分布測定装置。
2. 前記波長選択手段が、光フィルタ及び波長選択性を有する光増幅器のうち少なくとも一方で構成されることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度分布測定装置。
3. 前記第１の波長λ ₁ が１．４５μｍ、前記第２の波長λ ₂ が１．６５μｍ、前記波長λ ₀ が１．５５μｍ及び前記波長選択手段がエルビウムドープ光ファイバ増幅器でなることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度分布測定装置。

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