JP4784344B2 - 光ファイバ分布型温度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ分布型温度測定装置に関し、特に測定時間の短縮及び測定精度の向上が可能な光ファイバ分布型温度測定装置に関する。

近年、光ファイバをセンサとして温度を測定する技術が確立されている。この技術は光ファイバ内で発生する後方散乱光を利用している。図５にこの後方散乱光のスペクトルを示す。図５に示すように、後方散乱光にはレイリー散乱光、ブリルアン散乱光、ラマン散乱光等がある。

温度測定には温度依存性が高い後方ラマン散乱光が利用され、この後方ラマン散乱光を波長分波して測定を行う。後方ラマン散乱光には入射光の波長に対して短い波長側に発生するアンチストークス光と、長い波長側に発生するストークス光がある。

従来の光ファイバ分布型温度測定装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開平１−２１２３２６号公報 特開平７−１６７７１７号公報 特開２００２−０３９８７１号公報

図６はこのような従来の光ファイバ分布型温度測定装置の一例を示す構成ブロック図である。図６において１はパルス光を出射するレーザダイオード等のパルス光源、２は波長分波器、３及び５は光信号を電気信号に変換する受光部、４及び６はサンプリング部、７はＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算制御部である。１００は温度センサとして用いる光ファイバである。

パルス光源１の出射端から出射されたパルス光は波長分波器２の入射端に入射され、波長分波器２の入出射端から出射されたパルス光は光ファイバ１００に入射される。光ファイバ１００内で発生した後方ラマン散乱光は光ファイバ１００の入射端から出射され、波長分波器２の入出射端に入射される。

波長分波器２の一方の出射端から出射されたストークス光は受光部３に入射され、波長分波器２の他方の出射端から出射されたアンチストークス光は受光部５に入射される。

また、受光部３の出力端子はサンプリング部４の入力端子に接続され、サンプリング部４の出力端子は演算制御部７の一方の入力端子に接続される。受光部５の出力端子はサンプリング部６の入力端子に接続され、サンプリング部６の出力端子は演算制御部７の他方の入力端子に接続される。演算制御部７の出力端子はパルス光源１の入力端子に接続される。

ここで、図６に示す従来例の動作を図７を用いて説明する。図７は演算制御部７の温度測定時の動作を説明するフロー図である。

図７中”Ｓ００１”において演算制御部７はパルス光源１にパルス光出射のトリガ信号となるタイミングパルスを出力する。タイミングパルスを受信したパルス光源１はパルス光を出射し、パルス光は波長分波器２を経由して光ファイバ１００に入射される。そして、光ファイバ１００内で発生する後方ラマン散乱光が光ファイバ１００の入射端に戻ってくる。

この後方ラマン散乱光は波長分波器２の入出射端に入射され、ストークス光とアンチストークス光に波長分波される。ストークス光は受光部３に入射され、電気信号に変換される。この電気信号がサンプリング部４に入力され、サンプリングデータに変換される。

同様に、アンチストークス光は受光部５に入射され、電気信号に変換される。この電気信号がサンプリング部６に入力され、サンプリングデータに変換される。図７中”Ｓ００２”において演算制御部７はサンプリング部４及びサンプリング部６から出力されるサンプリングデータをそれぞれ取り込む。

そして、図７中”Ｓ００３”において演算制御部７は予め指定された回数分サンプリングデータを取り込んだか否かを判断し、もし、指定された回数分サンプリングデータを取り込んだ場合には、図７中”Ｓ００４”において演算制御部７は今まで取り込んだサンプリングデータに対して加算平均化処理を行い、ストークス光強度及びアンチストークス光強度を算出する。

一方、図７中”Ｓ００３”において演算制御部７は予め指定された回数分サンプリングデータを取り込んだか否かを判断し、もし、指定された回数分サンプリングデータを取り込んでいない場合には、図７中”Ｓ００１”に戻り、再度、サンプリングを行う。

最後に、図７中”Ｓ００５”において演算制御部７は図７中”Ｓ００４”において算出したストークス光強度及びアンチストークス光強度を用いて強度比を比較する温度変換処理を行い、光ファイバ１００の温度分布を求める。

後方ラマン散乱光の光強度は光ファイバ１００へ入射されるパルス光の光強度に比例して大きくなるので、このパルス光の光強度が大きいほど、Ｓ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio：信号対雑音比）が改善され、測定精度の向上に繋がる。

しかし、光ファイバ１００へ入射されるパルス光の光強度が、ある光強度を超えると、非線形現象である誘導ラマン散乱現象が発生する。誘導ラマン散乱現象は、光ファイバ１００の長手方向の距離に対してストークス光がアンチストークス光よりも先に非線形となる。

誘導ラマン散乱現象が発生すると、光ファイバ１００の長手方向の距離の直線性が保たれず、長距離温度測定が困難になってしまう。そのため、測定する後方ラマン散乱光は、線形現象である自然ラマン散乱光に限定される。

この結果、パルス光源１から波長分波器２を経由して光ファイバ１００にパルス光を入射し、戻ってくる後方ラマン散乱光を波長分波器２でストークス光とアンチストークス光に波長分波し、受光部３及び受光部５でそれぞれを電気信号に変換し、サンプリング部４及びサンプリング部６でサンプリングデータに変換し、演算制御部７で強度比を求めることにより、強度比と温度に比例関係があるので、光ファイバ１００の温度分布を測定することが可能になる。

しかし、図６に示す従来例では、測定する後方ラマン散乱光は微弱光であるため、繰り返し取り込み、加算平均化処理を行って測定精度を高めているので、測定時間が掛かるという問題点があった。

また、光ファイバ１００に入射されるパルス光の光強度は誘導ラマン散乱現象の発生閾値以下に制限されるため、測定する後方ラマン散乱光のＳ／Ｎ比が良くないので、測定精度も制限されるという問題点があった。

従って本発明が解決しようとする課題は、測定時間の短縮及び測定精度の向上が可能な光ファイバ分布型温度測定装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
光ファイバをセンサとして温度を測定する光ファイバ分布型温度測定装置において、
パルス光を出射するパルス光源と、前記パルス光を前記光ファイバに入射し、前記光ファイバから戻ってくる後方ラマン散乱光をストークス光及びアンチストークス光に分波する波長分波器と、前記ストークス光を電気信号に変換する第１の受光部と、前記アンチストークス光を電気信号に変換する第２の受光部と、前記第１の受光部からの電気信号をサンプリングする第１のサンプリング部と、前記第２の受光部からの電気信号をサンプリングする第２のサンプリング部と、前記パルス光の光強度を設定し、前記ストークス光が自然ラマン散乱光である測定条件下で前記第１のサンプリング部にサンプリングされた第１のデータと、前記アンチストークス光が誘導ラマン散乱光であると共に線形となる測定条件下で前記第２のサンプリング部にサンプリングされた第２のデータを用いて温度を算出する演算制御部とを備えたことにより、測定時間の短縮及び測定精度の向上が可能になる。

請求項２記載の発明は、
光ファイバをセンサとして温度を測定する光ファイバ分布型温度測定装置において、
パルス光を出射するパルス光源と、前記パルス光を前記光ファイバに入射し、前記光ファイバから戻ってくる後方ラマン散乱光をストークス光とアンチストークス光に分波する波長分波器と、前記ストークス光、若しくは、前記アンチストークス光を選択する光スイッチと、この光スイッチから出射される光を電気信号に変換する受光部と、前記受光部からの電気信号をサンプリングするサンプリング部と、前記パルス光の光強度を設定し、前記ストークス光が自然ラマン散乱光である測定条件下で前記ストークス光を選択するように前記光スイッチを制御すると共に前記サンプリング部にサンプリングされた第１のデータを取得し、前記アンチストークス光が誘導ラマン散乱光であると共に線形となる測定条件下で前記アンチストークス光を選択するように前記光スイッチを制御すると共に前記サンプリング部にサンプリングされた第２のデータを取得し、前記第１のデータ及び前記第２のデータを用いて温度を算出する演算制御部とを備えたことにより、測定時間の短縮及び測定精度の向上が可能になる。

請求項３記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の光ファイバ分布型温度測定装置において、
前記パルス光源が、
レーザダイオードを使用していることにより、測定時間の短縮及び測定精度の向上が可能になる。

請求項４記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光ファイバ分布型温度測定装置において、
前記パルス光源が、
光アッテネータにより前記パルス光の光強度を変化させていることにより、測定時間の短縮及び測定精度の向上が可能になる。

請求項５記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光ファイバ分布型温度測定装置において、
前記パルス光源が、
光アンプにより前記パルス光の光強度を変化させていることにより、測定時間の短縮及び測定精度の向上が可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，３，４及び請求項５の発明によれば、自然ラマン散乱光の条件下でストークス光強度を取得し、誘導ラマン散乱光の条件下でアンチストークス光強度を取得し、強度比から光ファイバの温度分布を求めることにより、Ｓ／Ｎ比が改善されたアンチストークス光強度を取得することができるので、測定時間の短縮及び測定精度の向上が可能になる。

請求項２，３，４及び請求項５の発明によれば、自然ラマン散乱光の条件下でストークス光強度を取得し、誘導ラマン散乱光の条件下でアンチストークス光強度を取得し、強度比から光ファイバの温度分布を求めることにより、Ｓ／Ｎ比が改善されたアンチストークス光強度を取得することができるので、測定時間の短縮及び測定精度の向上が可能になる。さらに、光スイッチを用いることにより、受光部とサンプリング部が１系統に簡略化できるので、コスト削減が可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る光ファイバ分布型温度測定装置の一実施例を示す構成ブロック図である。

図１において２，３，４，５，６及び１００は図６と同一符号を付してあり、８はパルス光強度を変化できるレーザダイオード等のパルス光源、９はＣＰＵ等の演算制御部である。

パルス光源８の出射端から出射されたパルス光は波長分波器２の入射端に入射される。サンプリング部４の出力端子は演算制御部９の一方の入力端子に接続され、サンプリング部６の出力端子は演算制御部９の他方の入力端子に接続される。演算制御部９の出力端子はパルス光源８の入力端子に接続される。その他の接続に関しては図６と同一のため、説明を省略する。

ここで、図１に示す実施例の動作を図２及び図３を用いて説明する。図２は演算制御部９の温度測定時の動作を説明するフロー図、図３はストークス光及びアンチストークス光の特性図である。図３において横軸は時間、縦軸は光強度を表している。横軸の時間は光ファイバ１００の長手方向の距離に換算される。

図１に示す実施例の動作は図６の従来例とほぼ同一であり、異なる点はストークス光のデータを取得する時とアンチストークス光のデータを取得する時でパルス光源８から出射されるパルス光の光強度を変えていることである。

図２中”Ｓ１０１”において演算制御部９はパルス光源８から出射されるパルス光の光強度を設定する。このパルス光の光強度は、誘導ラマン散乱現象が発生する閾値より小さくなるように、すなわち、後方ラマン散乱光が自然ラマン散乱光となるように設定される。なお、この閾値は予め測定される。

図２中”Ｓ１０２”において演算制御部９はパルス光源８にパルス光出射のトリガ信号となるタイミングパルスを出力する。タイミングパルスを受信したパルス光源８はパルス光を出射し、パルス光は波長分波器２を経由して光ファイバ１００に入射される。そして、光ファイバ１００内で発生する後方ラマン散乱光が光ファイバ１００の入射端に戻ってくる。

この後方ラマン散乱光は波長分波器２の入出射端に入射され、ストークス光とアンチストークス光に波長分波される。ストークス光は受光部３に入射され、電気信号に変換される。この電気信号がサンプリング部４に入力され、サンプリングデータに変換される。

同様に、アンチストークス光は受光部５に入射され、電気信号に変換される。この電気信号がサンプリング部６に入力され、サンプリングデータに変換される。図２中”Ｓ１０３”において演算制御部９はサンプリング部４及びサンプリング部６から出力されるサンプリングデータをそれぞれ取り込む。

そして、図２中”Ｓ１０４”において演算制御部９は予め指定された回数分サンプリングデータを取り込んだか否かを判断し、もし、指定された回数分サンプリングデータを取り込んだ場合には、図２中”Ｓ１０５”において演算制御部９は今まで取り込んだサンプリングデータに対して加算平均化処理を行い、ストークス光強度及びアンチストークス光強度を算出する。

一方、図２中”Ｓ１０４”において演算制御部９は予め指定された回数分サンプリングデータを取り込んだか否かを判断し、もし、指定された回数分サンプリングデータを取り込んでいない場合には、図２中”Ｓ１０２”に戻り、再度、サンプリングを行う。

例えば、光ファイバ１００にシングルモード型の光ファイバを用いた時、パルス光源８から出射されるパルス光の光強度をおよそ”３８．５ｄＢｍ”とすると、光ファイバ１００の入射端から”１ｍ”地点のストークス光強度はおよそ”−５７ｄＢｍ”となり、アンチストークス光強度はおよそ”−６２ｄＢｍ”となる。

この時に得られたストークス光及びアンチストークス光のデータを演算制御部９で対数変換したものを図３（ａ）に示す。ストークス光強度”ＣＨ０１”及びアンチストークス光強度”ＣＨ０２”共に光ファイバ１００の長手方向の距離に線形に変化している。

図２中”Ｓ１０６”において演算制御部９はパルス光の光強度を変えて全てのデータを取得したか否かを判断し、もし、全てのデータを取得していない場合には、図２中”Ｓ１０１”において演算制御部９はパルス光源８から出射されるパルス光の光強度を設定する。

この時、パルス光の光強度は、誘導ラマン散乱現象が発生する閾値より大きくなるように、すなわち、後方ラマン散乱光が誘導ラマン散乱光となるように設定される。

そして、図２中”Ｓ１０２”から”Ｓ１０５”までの処理を行う。例えば、パルス光源８から出射されるパルス光の光強度をおよそ”４１．５ｄＢｍ”とすると、光ファイバ１００の入射端から”１ｍ”地点のストークス光強度はおよそ”−５４ｄＢｍ”となり、アンチストークス光強度はおよそ”−５９ｄＢｍ”となる。

この時に得られたストークス光及びアンチストークス光のデータを演算制御部９で対数変換したものを図３（ｂ）に示す。ストークス光強度”ＣＨ０３”は誘導ラマン散乱現象によって、光ファイバ１００の長手方向の距離に非線形となり、不安定となっている。

一方、アンチストークス光強度”ＣＨ０４”は自然ラマン散乱光の条件下での測定値と比較して誘導ラマン散乱光の条件下での測定値は”３ｄＢｍ”の改善が見られ、Ｓ／Ｎ比が向上している。

図２中”Ｓ１０６”において演算制御部９はパルス光の光強度を変えて全てのデータを取得したか否かを判断し、もし、全てのデータを取得した場合には、図２中”Ｓ１０７”において演算制御部９は、自然ラマン散乱光の条件下で取得したストークス光強度と誘導ラマン散乱光の条件下で取得したアンチストークス光強度を用いて強度比を比較する温度変換処理を行い、光ファイバ１００の温度分布を求める。

図６に示す従来例において、加算平均回数を”２^Ｎ回”とした時、Ｓ／Ｎ比を”３ｄＢｍ”改善するためには”２^{（Ｎ＋２）}回”の加算平均回数が必要であり、”２^Ｎ回”の加算平均時と比較して４倍の測定時間が必要となる。

本発明では、”２^Ｎ回”の加算平均を自然ラマン散乱光の条件下でのストークス光測定と、誘導ラマン散乱光の条件下でのアンチストークス光測定で行うため、加算平均回数は”２^{（Ｎ＋１）}回”となり、”２^Ｎ回”の加算平均時と比較して２倍の測定時間が必要となる。

しかし、アンチストークス光強度がＳ／Ｎ比で”３ｄＢｍ”改善されているため、図６に示す従来例と比較して半分の測定時間で同程度のＳ／Ｎ比改善が可能になる。

この結果、自然ラマン散乱光の条件下でストークス光強度を取得し、誘導ラマン散乱光の条件下でアンチストークス光強度を取得し、強度比から光ファイバの温度分布を求めることにより、Ｓ／Ｎ比が改善されたアンチストークス光強度を取得することができるので、測定時間の短縮及び測定精度の向上が可能になる。

図４は本発明に係る光ファイバ分布型温度測定装置の他の実施例を示す構成ブロック図である。図４において２，３，４，８及び１００は図１と同一符号を付してあり、１０は光スイッチ、１１はＣＰＵ等の演算制御部である。

パルス光源８の出射端から出射されたパルス光は波長分波器２の入射端に入射され、波長分波器２の入出射端から出射されたパルス光は光ファイバ１００に入射される。光ファイバ１００内で発生した後方ラマン散乱光は光ファイバ１００の入射端から出射され、波長分波器２の入出射端に入射される。

波長分波器２の一方の出射端から出射されたストークス光は光スイッチ１０の一方の入射端に入射され、波長分波器２の他方の出射端から出射されたアンチストークス光は光スイッチ１０の他方の入射端に入射される。

また、光スイッチ１０の出射端から出射された光は受光部３の入射端に入射され、受光部３の出力端子はサンプリング部４の入力端子に接続される。サンプリング部４の出力端子は演算制御部１１の入力端子に接続される。演算制御部１１の一方の出力端子はパルス光源８の入力端子に接続され、演算制御部１１の他方の出力端子は光スイッチ１０の入力端子に接続される。

ここで、図４に示す実施例の動作を図２を用いて説明する。図４に示す実施例の動作は図１の実施例とほぼ同一であり、異なる点はストークス光のデータを取得する時とアンチストークス光のデータを取得する時で光スイッチ１０により受光部３へ入射する光を選択していることである。

具体的には、図２中”Ｓ１０１”においてパルス光源８から出射されるパルス光の光強度を設定する時に、自然ラマン散乱光が発生する条件ではストークス光を選択し、誘導ラマン散乱光が発生する条件ではアンチストークス光を選択するように光スイッチ１０が演算制御部１１により制御される。

この結果、自然ラマン散乱光の条件下でストークス光強度を取得し、誘導ラマン散乱光の条件下でアンチストークス光強度を取得し、強度比から光ファイバの温度分布を求めることにより、Ｓ／Ｎ比が改善されたアンチストークス光強度を取得することができるので、測定時間の短縮及び測定精度の向上が可能になる。さらに、光スイッチ１０を用いることにより、受光部とサンプリング部が２系統から１系統に簡略化できるので、コスト削減が可能になる。

なお、図１及び図４に示す実施例においては自然ラマン散乱光条件下での測定をした後に誘導ラマン散乱光条件下での測定を行っているが、必ずしもこの順序で測定する必要は無く、誘導ラマン散乱光条件下での測定をした後に自然ラマン散乱光条件下での測定を行ってもよい。

また、図１に示す実施例においては自然ラマン散乱光条件下での測定及び誘導ラマン散乱光条件下での測定でストークス光及びアンチストークス光の両方を加算平均化処理して求めているが、必ずしもこのようにする必要は無く、自然ラマン散乱光条件下ではストークス光のみ、誘導ラマン散乱光条件下ではアンチストークス光のみを加算平均化処理して求めるようにしてもよい。

また、図１及び図４に示す実施例においてはパルス光源８から出射されるパルス光の光強度を変化させているが、光アッテネータ、若しくは、光アンプを用いて変化するようにしてもよい。

本発明に係る光ファイバ分布型温度測定装置の一実施例を示す構成ブロック図である。 演算制御部の温度測定時の動作を説明するフロー図である。 ストークス光及びアンチストークス光の特性図である。 本発明に係る光ファイバ分布型温度測定装置の他の実施例を示す構成ブロック図である。 後方散乱光のスペクトルを説明する説明図である。 従来の光ファイバ分布型温度測定装置の一例を示す構成ブロック図である。 演算制御部の温度測定時の動作を説明するフロー図である。

符号の説明

１，８ パルス光源
２ 波長分波器
３，５ 受光部
４，６ サンプリング部
７，９，１１ 演算制御部
１０ 光スイッチ
１００ 光ファイバ

Claims (5)

1. 光ファイバをセンサとして温度を測定する光ファイバ分布型温度測定装置において、
   パルス光を出射するパルス光源と、
   前記パルス光を前記光ファイバに入射し、前記光ファイバから戻ってくる後方ラマン散乱光をストークス光及びアンチストークス光に分波する波長分波器と、
   前記ストークス光を電気信号に変換する第１の受光部と、
   前記アンチストークス光を電気信号に変換する第２の受光部と、
   前記第１の受光部からの電気信号をサンプリングする第１のサンプリング部と、
   前記第２の受光部からの電気信号をサンプリングする第２のサンプリング部と、
   前記パルス光の光強度を設定し、前記ストークス光が自然ラマン散乱光である測定条件下で前記第１のサンプリング部にサンプリングされた第１のデータと、前記アンチストークス光が誘導ラマン散乱光であると共に線形となる測定条件下で前記第２のサンプリング部にサンプリングされた第２のデータを用いて温度を算出する演算制御部と
   を備えたことを特徴とする光ファイバ分布型温度測定装置。
2. 光ファイバをセンサとして温度を測定する光ファイバ分布型温度測定装置において、
   パルス光を出射するパルス光源と、
   前記パルス光を前記光ファイバに入射し、前記光ファイバから戻ってくる後方ラマン散乱光をストークス光とアンチストークス光に分波する波長分波器と、
   前記ストークス光、若しくは、前記アンチストークス光を選択する光スイッチと、
   この光スイッチから出射される光を電気信号に変換する受光部と、
   前記受光部からの電気信号をサンプリングするサンプリング部と、
   前記パルス光の光強度を設定し、前記ストークス光が自然ラマン散乱光である測定条件下で前記ストークス光を選択するように前記光スイッチを制御すると共に前記サンプリング部にサンプリングされた第１のデータを取得し、前記アンチストークス光が誘導ラマン散乱光であると共に線形となる測定条件下で前記アンチストークス光を選択するように前記光スイッチを制御すると共に前記サンプリング部にサンプリングされた第２のデータを取得し、前記第１のデータ及び前記第２のデータを用いて温度を算出する演算制御部と
   を備えたことを特徴とする光ファイバ分布型温度測定装置。
3. 前記パルス光源が、
   レーザダイオードを使用していることを特徴とする
   請求項１若しくは請求項２記載の光ファイバ分布型温度測定装置。
4. 前記パルス光源が、
   光アッテネータにより前記パルス光の光強度を変化させていることを特徴とする
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光ファイバ分布型温度測定装置。
5. 前記パルス光源が、
   光アンプにより前記パルス光の光強度を変化させていることを特徴とする
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光ファイバ分布型温度測定装置。

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