JP6020521B2 - 光ファイバ温度分布測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバをセンサとして用いる光ファイバ温度分布測定装置に関し、詳しくは、空間分解能の改善に関する。

光ファイバをセンサとして用いた分布型測定装置の一種に、特許文献１に記載されているように光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された光ファイバ温度分布測定装置がある。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。なお、以下の説明では、光ファイバ温度分布測定装置を必要に応じてＤＴＳ（Distributed Temperature Sensor）とも表記する。

後方散乱光には、レイリー散乱光、ブリルアン散乱光、ラマン散乱光などがあるが、ラマン散乱光は温度依存性が高いため温度測定に利用され、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ＡＳと、長い波長側に発生するストークス光ＳＴがある。

光ファイバ温度分布測定装置は、これらアンチストークス光の強度Ｉasとストークス光の強度Ｉstとを測定してその強度比から温度を算出し、光ファイバに沿った温度分布を表示するものであり、プラント設備の温度管理、防災関連の調査・研究、発電所や大型建設物の空調関連などの分野で利用されている。

図２は、光ファイバ温度分布測定装置の基本構成例を示すブロック図である。図２において、光源１は光分波器２の入射端に接続され、光分波器２の入出射端には光ファイバ３が接続され、光分波器２の一方の出射端には光電変換器（以下Ｏ／Ｅ変換器という）４stが接続され、光分波器２の他方の出射端にはＯ／Ｅ変換器４asが接続されている。

Ｏ／Ｅ変換器４stの出力端子にはアンプ５stおよびＡ／Ｄ変換器６stを介して演算制御部７に接続され、Ｏ／Ｅ変換器４asの出力端子にはアンプ５asおよびＡ／Ｄ変換器６asを介して演算制御部７に接続されている。なお、演算制御部７は、パルス発生部８を介して光源１に接続されている。

光源１としてはたとえばレーザダイオードが用いられ、パルス発生部８を介して入力される演算制御部７からのタイミング信号に対応したパルス光を出射する。光分波器２は、その入射端に光源１から出射されたパルス光が入射され、その入出射端から出射されたパルス光を光ファイバ３に出射し、光ファイバ３内で発生した後方ラマン散乱光をその入出射端から入射してストークス光ＳＴとアンチストークス光ＡＳに波長分離する。光ファイバ３は、その入射端から光分波器２から出射されたパルス光を入射し、光ファイバ３内で発生した後方ラマン散乱光をその入射端から光分波器２に向けて出射する。

Ｏ／Ｅ変換器４stおよび４asとしてはたとえばフォトダイオードが用いられ、Ｏ／Ｅ変換器４stには光分波器２の一方の出射端から出射されたストークス光ＳＴが入射され、Ｏ／Ｅ変換器４asには光分波器２の他方の出射端から出射されたアンチストークス光ＡＳが入射されて、それぞれ入射光に対応する電気信号を出力する。

アンプ５stおよび５asは、Ｏ／Ｅ変換器４stおよび４asから出力された電気信号をそれぞれ増幅する。Ａ／Ｄ変換器６stおよび６asは、アンプ５stおよび５asから出力された信号をそれぞれディジタル信号に変換する。

演算制御部７は、Ａ／Ｄ変換器６stおよび６asから出力されたディジタル信号に基づいて後方散乱光の２成分、すなわち、ストークス光ＳＴとアンチストークス光ＡＳの強度比から温度を演算し、その時系列に基づいて光ファイバ３に沿った温度分布を表示手段（図示せず）に表示する。なお、演算制御部７にはあらかじめ、強度比と温度の関係がテーブルや式の形で記憶されている。また、演算制御部７は、光源１にタイミング信号を送り、光源１から出射される光パルスのタイミングを制御する。

光分波器２と光ファイバ３との間には数十ｍ巻回された光ファイバよりなる温度基準部９がコネクタ接続部１１を介して設けられていて、この温度基準部９には実際の温度を測定するためのたとえば白金測温抵抗体よりなる温度計１０が設けられている。この温度計１０の出力信号は、演算制御部７に入力されている。なお、温度センサとして用いる光ファイバ３の近傍にも、実際の温度を測定するためのたとえば白金測温抵抗体よりなる基準温度計１２が設けられている。

温度分布測定の原理を説明する。ストークス光ＳＴおよびアンチストークス光ＡＴの信号強度を光源１における発光タイミングを基準にした時間の関数として表すと、光ファイバ３中の光速が既知であるので、光源１を基準にして光ファイバ３に沿った距離の関数に置き換えることができる。すなわち、横軸を距離とし、光ファイバの各距離位置で発生したストークス光ＳＴおよびアンチストークス光ＡＳの強度、つまり距離分布とみなすことができる。

一方、アンチストークス光強度Ｉasとストークス光強度Ｉstはいずれも光ファイバ３の温度に依存し、さらに、両光の強度比Ｉas／Ｉstも光ファイバ３の温度に依存する。したがって、強度比Ｉas／Ｉstが分かれば、ラマン散乱光が発生した位置の温度を知ることができる。ここで、強度比Ｉas／Ｉstは距離ｘの関数Ｉas（ｘ）／Ｉst（ｘ）であり、この強度比Ｉas（ｘ）／Ｉst（ｘ）から光ファイバ３に沿った温度分布Ｔ（ｘ）を求めることができる。

また、特許文献２には、光ファイバ伝送路の障害点探索や損失分布測定に使用されるＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometry）測定にあたり、送信波形のパルス間部分の時間関数を、実際に測定されるＯＴＤＲ分布の時間関数をＦ、畳み込み計算の記号を＊としたとき、式（Ｆ−Ｆ＊ε＋Ｆ＊ε＊ε−・・・）を用いてＯＴＤＲ分布の補正を行うことが提案されている。

特開平５−２６４３７０号公報 特開２０００−３２９６４６号公報

ＤＴＳは、光ファイバ３中にパルス光を入射してその後方ラマン散乱光を受光し、この受光出力を用いて所定の演算を行うことにより光ファイバ３に沿った温度分布を測定するが、入射するパルス光や受光するストークス光ＳＴ、アンチストークス光ＡＴなどが光ファイバ３中を進むことで分散の影響を受けてしまう。主な分散は、波長分散やモード分散である。

波長分散とは、波長の違いによって光ファイバ３中を進む距離が異なるため発生する現象である。入射光は、ＤＦＢ(Distributed Feedback:分布帰還型)レーザーを用いることでこの影響を軽減できるが、後方散乱光は波長帯域幅を持っているので、この影響を受けてしまう。

モード分散とは、光ファイバ３としてマルチモードファイバを用いる場合、ファイバ中の伝播モードの違いから、光は伝播速度が違うモードに分かれて進むにつれて広がってしまう現象をいう。

モード分散を軽減するためにたとえばGI(Grated Index)ファイバが用いられるが、影響をゼロにすることは困難であり、モード分散の影響により、ファイバの往路と復路とで異なる伝播特性を示してしまう。なお、シングルモードファイバの場合には、このようなモード分散は起こらない。

ＤＴＳの性能の指標のひとつに空間分解能がある。空間分解能は、温度変化の応答距離を数値化したもので、この距離が短いと性能がよいことになる。ただし、光がファイバ中を進むにつれて前述の分散の影響を受けるため、空間分解能は低下していく。

空間分解能が低下すると、実用上は、測りたい箇所における後方散乱光がその前後の後方散乱光と干渉し、変化点近傍の実際の温度を求めることができなくなるという問題も発生する。

ところで、マルチモードファイバはシングルモードファイバに比べて安価であるが、分散の影響が大きいことから長距離伝送には向かないとされてきた。すなわち、従来から、長距離伝送の場合はシングルモードファイバが用いられていたため、波長分散の影響はマルチモードファイバに比べて問題視されていなかった。

しかし、マルチモードファイバを利用して長距離のＤＴＳ測定が行われるようになり、分散の影響に基づく問題が顕在化するようになってきた。

マルチモードファイバにおける分散の影響を補正するのにあたっては、マルチモードファイバの分散特性をあらかじめ把握しておく必要があるが、使用する波長や光ファイバなど変化要因が多いことから、それらの特性値を一概に特定することはできない。

本発明はこのような課題を解決するもので、その目的は、センサファイバの各点における分散特性を適切に把握してその分散特性を打ち消す補正を行うことにより、空間分解能の優れた光ファイバ温度分布測定装置を提供することにある。

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用い、ラマン後方散乱光を利用して前記光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された光ファイバ温度分布測定装置において、
前記光ファイバの遠端地点における光ファイバの応答特性の測定値と光ファイバ温度分布測定装置本体の応答特性の測定値とから、前記光ファイバの遠端地点における光の分散特性の値を求める手段と、
前記光ファイバの遠端地点における光の分散特性の値に基づき、前記光ファイバの単位長の地点における光の分散特性の値を求める手段と、
前記光ファイバの単位長の地点における光の分散特性の値に基づき、前記光ファイバの単位長ごとの各地点における光の分散特性の値を補正するための補正パラメータを演算する手段、
を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１に記載の光ファイバ温度分布測定装置において、
前記補正パラメータを演算する手段は、前記光ファイバの単位長ごとの各地点における光の分散特性の値の逆特性の値と、前記光ファイバ温度分布測定装置本体の応答特性の測定値の逆特性の値との畳み込み演算を行うことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項２に記載の光ファイバ温度分布測定装置において、
前記補正パラメータを演算する手段は、さらに、高帯域側のノイズ成分を除去するフィルタ特性の逆特性の値との畳み込み演算を含むことを特徴とする。

本発明によれば、空間分解能の優れた光ファイバ温度分布測定装置を実現できる。

本発明の一実施例の主要部を示すブロック図である。 光ファイバ温度分布測定装置の基本構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例の主要部を示すブロック図である。図１において、演算制御部７には、パラメータ保持部７ａと、遠端地点分散特性演算部７ｂと、単位長あたり分散特性演算部７ｃと、補正パラメータ演算部７ｄと、空間分解能演算部７ｅ、平均化演算部７ｆなどが設けられている。

分散特性の補正を行うためには、その分散特性を知る必要がある。分散特性は光ファイバ３の個体差などの要因により一定の値ではない。パラメータ保持部７ａに使用する光ファイバ３の既知の各種パラメータを設定入力した後、使用する光ファイバ３の分散特性を求める。

測定に使用する光ファイバ３の既知の各種パラメータをパラメータ保持部７ａに設定入力した後、遠端地点分散特性演算部７ｂにより、（１）式に示すようにＤＴＳ本体の応答特性Ａと光ファイバ分散特性Ｄを畳み込む演算を行い、光ファイバ３の遠端地点における応答特性Ｈを求める。なお、畳み込み計算の記号は、前述のように「＊」とする。

Ｈ＝Ａ＊Ｄ （１）

ここで、あらかじめＤＴＳ本体の応答特性Ａがわかっていれば、その逆特性Ａ^-1も既知なので、光ファイバ３の遠端点における分散特性Ｈを求めることができる。

なお、ＤＴＳ本体の応答特性Ａは、ストークス光ＳＴとアンチストークス光ＡＴとで測定経路が異なるため、ストークス光ＳＴに基づく応答特性Ａstとアンチストークス光ＡＴに基づく応答特性Ａasを求めておくものとする。

ＤＴＳ本体に光ファイバ３を接続しない状態で測定すれば、光ファイバ３の分散の影響をゼロに近似させることができ、ＤＴＳ本体の応答特性Ａを求めることができる。このようにして求めたＤＴＳ本体の応答特性の逆数Ａst^-1、Ａas^-1は、パラメータ保持部７ａに格納しておく。

Ｄ＝Ｈ＊Ａ^-1 （２）

ＤＴＳによる測定で遠端地点での応答特性Ｈが得られれば、距離方向に沿った光ファイバ３の分散の影響は一様と考えられるので、光ファイバ３の全長における分散特性から、単位長あたりの分散特性を求めることができる。つまり、Ｄ（長さｎ）は単位長あたりのファイバ分散Ｄ0のn個の畳み込みである。単位長あたり分散特性演算部７ｃは、光ファイバ３の全長における分散特性から、単位長あたりの分散特性を求める。

Ｄ＝Ｄ_n＝Ｄ₀＊Ｄ₀＊Ｄ₀＊Ｄ₀＊・・・＊Ｄ₀ （３）
（Ｄ₀は複数ｎ個）

この（３）式から、光ファイバ３上の任意の点ｍのファイバ分散は、次の（４）式に示すように、単位長あたりの分散特性Ｄ₀のｍ個の畳み込みであることがわかる。

Ｄ＝Ｄ_m＝Ｄ₀＊Ｄ₀＊Ｄ₀＊Ｄ₀＊・・・＊Ｄ₀ （４）
（Ｄ₀は複数ｍ個）

補正パラメータ演算部７ｄは、光ファイバ３の距離方向に沿った各地点の分散特性Ｄ_Xの逆特性Ｄ_X ^-1とＤＴＳ本体の応答特性Ａの逆特性Ａ^-1との畳み込み演算を行い、光ファイバ３の分散特性を補正するための補正パラメータを求める。

空間分解能演算部７ｅは、補正パラメータ演算部７ｄで演算された補正パラメータを、平均化演算部7ｆで処理されたストークス光ＳＴとアンチストークス光ＡＴのリニア値に畳み込む演算を行う。

このような一連の演算処理を実行することにより、敷設されている光ファイバ３の分散特性を補正して空間分解能の値を改善でき、光ファイバ３上における実際の温度分布を精度よく測定できる。

なお、光ファイバ３上における温度分布の実際の測定結果には、ノイズ成分が含まれている。したがって、図１のブロック構成のままでは、光ファイバ３の遠端側における分散特性にはノイズ成分が含まれたものになり、正しい分散特性が求められない。

そこで、高域側帯域をある程度フィルタしてノイズ成分を軽減させる。具体的には、取得した遠端地点の応答特性にローパスフィルタをかける。フィルタ特性をＦとすると、求められる応答特性Ｈ’は以下のようになる。

Ｈ’＝Ａ＊Ｄ＊Ｆ （５）

（５）式の光ファイバ分散特性Ｄを求めるためには、フィルタ特性Ｆの逆特性Ｆ^-1とＤＴＳ本体の応答特性Ａの逆特性Ａ^-1を応答特性に畳み込む。これにより、ノイズ成分が軽減された遠端の分散特性Ｈを求めることができる。
Ｄ＝Ｈ’＊Ａ^-1＊Ｆ^-1 （６）

具体的には、パラメータ保持部７ａにはＡ^-1ではなくＦ^-1とＡ^-1の畳み込み結果を格納しておき、補正パラメータ演算部７ｄでは取得したストークス光ＳＴとアンチストークス光ＡＴのリニア値にフィルタ特性Ｆを畳んだものに、Ｆ^-1とＡ^-1の畳み込み結果を畳み込むことで、遠端地点の分散特性Ｈを求めることができる。
それ以降の操作は、前述と同様である。

以上説明したように、本発明によれば、センサファイバの各点における分散特性を適切に把握してその分散特性を打ち消す補正を行うことにより、空間分解能の優れた光ファイバ温度分布測定装置が実現できる。

１ 光源
２ 光分波器
３ 光ファイバ
４ Ｏ／Ｅ変換器
５ アンプ
６ Ａ／Ｄ変換器
７ 演算制御部
７ａ パラメータ保持部
７ｂ 遠端地点分散特性演算部
７ｃ 単位長あたり分散特性演算部
７ｄ 補正パラメータ演算部
７ｅ 空間分解能演算部
７ｆ 平均化演算部
８ パルス発生部
９ 温度基準部
１０ 温度計
１１ コネクタ接続部
１２ 基準温度計

Claims (3)

1. 光ファイバをセンサとして用い、ラマン後方散乱光を利用して前記光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された光ファイバ温度分布測定装置において、
   前記光ファイバの遠端地点における光ファイバの応答特性の測定値と光ファイバ温度分布測定装置本体の応答特性の測定値とから、前記光ファイバの遠端地点における光の分散特性の値を求める手段と、
   前記光ファイバの遠端地点における光の分散特性の値に基づき、前記光ファイバの単位長の地点における光の分散特性の値を求める手段と、
   前記光ファイバの単位長の地点における光の分散特性の値に基づき、前記光ファイバの単位長ごとの各地点における光の分散特性の値を補正するための補正パラメータを演算する手段、
   を設けたことを特徴とする光ファイバ温度分布測定装置。
2. 前記補正パラメータを演算する手段は、前記光ファイバの単位長ごとの各地点における光の分散特性の値の逆特性の値と、前記光ファイバ温度分布測定装置本体の応答特性の測定値の逆特性の値との畳み込み演算を行うことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
3. 前記補正パラメータを演算する手段は、さらに、高帯域側のノイズ成分を除去するフィルタ特性の逆特性の値との畳み込み演算を含むことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ温度分布測定装置。

Images