JP6257539B2 - 光ファイバ水位計測装置及び水位計測方法 - Google Patents

Description

本発明は，光ファイバ内の温度分布を測定して下水道管渠内や河川等の水位を計測する光ファイバ水位計測装置及び水位計測方法に関する。

近年，水害対策を目的として，下水道管渠内や河川等の水位監視の重要性が高まっている。これらの水位監視を行う水位計測方法として，分布型光ファイバ温度計測装置を応用する方法がある。特許文献１には，液体の水位を監視し制御を行なう分散形ディジタル制御システムに，ラマン散乱効果を応用した分布型光ファイバ温度計測装置を用いて測定容器の温度分布を測定し，この測定した温度分布にもとづいて測定容器の水位を測定することが記載されている。

特開２０００−１１１３８７号公報

特許文献１では，光ファイバを水中に配置して温度分布を計測し，温度が変化する位置を水面の位置と認識して水位を計測するため，連続して時々刻々変化する水位を計測することができる。しかし，分布型光ファイバ温度計測装置の温度測定は，原理上，一定の長さの光ファイバコア部の温度平均を測定するものであることから，単に光ファイバを真っ直ぐにして水中に浸けるだけでは，水中から空中で温度が変化する界面の位置を正確に測定することができないという問題があった。また，気温と水温の差から水面の位置を認識しているため，温度差がない状態では水位が変化しても，水面の位置を正確に認識することができない問題があった。

本発明は，上述のような問題点を解決するためになされたものであり，時々刻々と変化する水位を精度良く計測できる光ファイバ水位計測装置を提供することを目的とする。また，空中部及び水中部の温度が同じ場合でも水位計測が可能な光ファイバ水位計測装置を提供することも目的とした。

本発明の光ファイバ水位計測装置は，分布型光ファイバ温度分布計測装置を応用して水位を計測する光ファイバ水位計測装置である。光ファイバ内にパルス光を入射し，光ファイバの各位置で発生した後方ラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光の強度比に基づいて光ファイバの長手方向に沿った温度分布を計測することにより，光ファイバの各位置の温度を計測する温度分布計測装置を備え，センシング部は水面に対し直交する方向に軸を向けて配置された円筒に光ファイバが螺旋状に巻回された箇所とし，そのセンシング部の一部が水中に浸けられており，空中部に位置する箇所の温度と水中部に位置する箇所の温度が光ファイバにより認識され，空中部と水中部の境界位置を認識して水位を計測する。

また，本発明の光ファイバ水位計測装置は，光ファイバ中に発生した後方散乱光に基づく温度計測により水位を計測する水位計測装置であって，光ファイバは，断熱材の外周部に設定された第一のセンシング部と断熱材の内周部に設定された第二のセンシング部にそれぞれ巻回され，第一のセンシング部の高さ方向の温度分布と第二のセンシング部の高さ方向の温度分布を計測する温度分布計測部と，温度分布計測部で計測した第二のセンシング部の高さ方向の温度分布の時間変化から水位を検出する水位測定部と，を有し，空中部と水中部の温度が同等の場合，すなわち第一のセンシング部の温度が装置の温度分解能の範囲で高さ方向に分布を示さず一定温度を示す場合でも，空中部と水中部の境界位置を認識して水位を計測するものである。

以下具体的な手段について説明する。空中部と水中部の温度が同等の場合には，下記（１）〜（２）のようにして第二のセンシング部である，断熱材内部の時間的温度変化を計測して，空中部と水中部の境界位置を認識して水位を求める。

（１）一例として，水位計測手段として，第二のセンシング部において，所定周期に対する温度分布変化を連続的に計測し，新たな計測結果に更新したデータと，第二のセンシング部における初期温度と周りの媒質の温度伝導率から所定周期に対する温度分布変化を演算したデータを比較する。水位は，所定周期に対する温度分布変化が空中部と水中部で異なることを利用し，所定周期に対する温度分布変化の変化点を検出することで計測される。
これにより，演算で求めた所定周期に対する温度変化が正確であるとした場合，演算値と計測値を随時比較することで，測定ばらつきにより生じる所定周期に対する温度変化の変化点を排除することができるため，正確に空中部と水中部の境を検出できる。

（２）一例として，水位計測手段として，断熱材の時間に対する温度変化量を記憶したメモリを参照し，時間に対する温度変化をプロットしたデータと，第二のセンシング部における初期温度と周りの媒質の温度伝導率から時間に対する温度変化を演算したデータを比較する。水位は，時間に対する温度変化が空中部と水中部で異なることを利用し，時間に対する温度変化の違いを用いて計測される。
これにより，時々刻々と変化する水位に対しても，水位計測が可能となる。

（３）一例として，第一のセンシング部は第一の断熱材の外周部に設定され，第二のセンシング部は第一の断熱材とは別の第二の断熱材の内周部に設定されている。
これにより，空中部と水中部の温度が同じ場合でも，空中部と水中部の境界位置を認識して水位を計測することができる。

（４）一例として，断熱材は円筒状であり，第一のセンシング部は円筒状断熱材の外周部に設定され，第二のセンシング部は当該円筒状断熱材の内周部に設定される。
これにより，センサ設置箇所に傾斜等がある場合でも，円筒状断熱材の同軸上に光ファイバが巻回されるため，高さズレを生じない。また，１個の断熱材を使用するため，光ファイバ水位計がコンパクトになるという利点を有する。

（５）一例として，プラスチック材料を断熱材として用いる。
これにより，空中部と水中部の温度を明確に識別できるため，正確に水位を測定することが可能となる。

（６）一例として，光ファイバ水位計が所定間隔で複数設けられ，水位測定部は各光ファイバ水位計による水位を検出する。
これにより，下水道管渠内や河川等などの社会インフラ監視に対し，複数箇所の水位を同時に計測する光ファイバ水位計測装置を提供できる。

本発明によると水面に対する鉛直方向の各点における温度を精度良く計測できるので，時々刻々と変化する水位を高精度に計測できる。また，空中部及び水中部の温度が同じ場合でも，空中部と水中部の境界位置を認識して正確に水位を計測できる。
上記した以外の，課題，構成及び効果は，以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の光ファイバ水位計測装置の全体構成例を示す模式図。 ラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光を分光する方法を示す模式図。 分布型光ファイバ温度計測装置の空間分解能の一例を示す模式図。 光ファイバ水位計の構造例を示す模式図。 水位測定部の構成例を示す模式図。 水位計測の手順を示すフローチャート。 空中部と水中部に温度差がある場合の測定結果例を示す図。 空調管理されていない環境における気温及び水温の温度変化の例を示す図。 空中部と水中部に温度差がない場合の測定結果例を示す図。 下水道環境に複数の光ファイバ水位計測装置を設置した光ファイバ水位測定システムの一例を示す模式図。 下水道環境における光ファイバ水位計の設置例を示す模式図。 水位測定部の構成例を示す模式図。 水位計測の手順を示すフローチャート。 空中部と水中部に温度差がない場合の測定結果例を示す図。 光ファイバ水位計測装置のセンシング部の構成の一例を示す模式図。 光ファイバ水位計測装置のセンシング部の構成の一例を示す模式図。 光ファイバ水位計測装置のセンシング部の構成の一例を示す模式図。 光ファイバ水位計測装置のセンシング部の構成の一例を示す模式図。

本発明では，所望の水位計測精度を満たすように水面に対し直交する方向を軸として軸の回りに巻回された光ファイバをセンシング部とし，そのセンシング部の一部が水中に浸けられた状態で，光ファイバ内にパルス光を入射し，その光ファイバの各位置から反射されたラマン散乱光のうちストークス光とアンチストークス光の強度比に基づいて，空中部に位置する箇所の温度と水中部に位置する箇所の温度とを識別し，空中部と水中部との境界位置を認識して水位を計測する。ここで，入射光周波数よりも低周波側がストークス光であり，高周波側がアンチストークス光である。これにより，水面に対し鉛直方向におけるそれぞれの位置の温度を精度よく計測することができるようになり，時々刻々変化する水位を精度よく計測することができる。

また，光ファイバを，断熱材の外周部に設定された第一のセンシング部と断熱材の内周部に設定された第二のセンシング部にそれぞれ巻回し，温度分布計測部によって第一のセンシング部の高さ方向の温度分布と第二のセンシング部の高さ方向の温度分布を計測する。そして，水位測定部において，温度分布計測部で計測した第二のセンシング部の高さ方向の温度分布の時間変化から水位を検出することで，時々刻々と変化する水位に対し，空中部と水中部の温度が同等になった場合でも水位を計測できるようにした。

以下，図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

［実施例１］
図１は，本発明の光ファイバ水位計測装置の全体構成例を示す模式図である。本実施例の光ファイバ水位計測装置は，温度分布計測装置１１０，光ファイバ１２０，光ファイバ水位計１３０，水位測定部１４０を備えている。光ファイバ水位計測装置は，光ファイバ１２０にパルス光を入射し，光ファイバ１２０の各位置から後方散乱されたラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光の強度比，又はラマン散乱光のアンチストークス光とレーリー散乱光の強度比に基づいて光ファイバ１２０の長手方向の温度分布を計測する方法を用い，水中部に位置する光ファイバの温度と空中部に位置する光ファイバの温度を識別して下水道管渠内や河川等の水位を計測するものである。

温度分布計測装置１１０は，光源１１１，パルス発生器１１２，光強度変調器１１３，光分岐部１１４，波長分離フィルタ１１５，受信器１１６，周波数成分強度比演算回路１１７，温度演算回路１１８，光帰還時間演算回路１１９を備えている。

測定用光源１１１は，例えば１５５０ｎｍの波長光を出射する半導体レーザである。レーザ出射光はパルス発生器１１２でパルス光に変調され，また，光強度変調器１１３により強度変調される。

光分岐部１１４は，光源１１１から出射されたパルス光を光ファイバ１２０側へ通過させるとともに，光ファイバ１２０からの後方散乱光を波長分離フィルタ１１５側に伝搬する。図２は，波長分離フィルタによってラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光を分光する方法を示す模式図である。図２に示すように，波長分離フィルタ１１５は，光分岐部１１４を通過した光ファイバ１２０からの後方散乱光を，例えばダイクロックミラー１４１を用いて，ストークス光とアンチストークス光に分光する。受信器１１６は，分光された後方散乱光を受信する。

周波数成分強度比演算回路１１７は，受信器１１６によって受信された後方散乱光のうち，例えば，ラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光の強度比を求め，温度データを得る。ストークス光とアンチストークス光の強度比は［式１］で表され，光源１１１の波長（λ＝ｃ／ν₀）と石英ガラス組成（前記パルス光からのシフト波数）が決まれば，理論的に温度だけに依存する。

［式１］

ここでＩa，Ｉsはストークス光とアンチストークス光の強度であり，ν₀，νは入射光波数，格子振動波数である。ｈ，ｃ，ｋ_B，Ｔはそれぞれプランク定数，光ファイバ１２０中での光速，ボルツマン係数，絶対温度を示す。従って，後方散乱光のうちラマン散乱光の２成分を分光した後，その強度を測定し，比をとることにより温度を知ることができる。

なお，光ファイバ１２０の長手方向の各位置は，後方散乱光の帰還時間から演算で求められる。例えば，石英光ファイバ１２０にパルス光を入射すると，パルス光は真空中よりやや遅い約２×１０⁸ｍ／ｓの速度ｖ_cで光ファイバ（屈折率ｎ＝１．５）中を伝搬する。光ファイバ１２０内で発生した散乱光の一部は，後方散乱光として再び約２×１０⁸ｍ／ｓの速度で入射端に戻ってくるので，パルス光が光ファイバ１２０に入射してから後方散乱光が戻ってくるまでの遅延時間ｔから，［式２］によりその後方散乱光の発生位置ｘを特定することができる。これにより光ファイバの各々の位置における温度分布を計測することができる。

［式２］

光ファイバ水位計１３０において，光ファイバ１２０が例えば，円筒状の断熱材に巻回される部分がセンシング部となる。ここで，センシング部に断熱材を用いる理由は，空中部と水中部の温度が変化する界面を明確にするためである。温度伝導率の高い金属などをセンシング部に用いると，空中部と水中部の界面位置を正確に識別できなくなり，その結果，水位を正確に計測することが困難となる。

円筒状の断熱材は水面に対して軸を直交させて配置され，光ファイバ１２０はその円筒状断熱材に巻回された状態とされて水中に浸けられるようになっている，なお，センシング部における光ファイバは，螺旋状に巻回された状態でもよい。

そのセンシング部において，光ファイバ１２０は，所望の水位計測精度を実現するため，円筒状の断熱材の外周部及び内周部に，水面に対し直交する軸の回りに螺旋状に，所望の水位測定精度範囲内に空間分解能以上の長さが巻回されている。

ここで，空間分解能とは，正確な温度を測定するために必要な光ファイバ長を表す。ラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光の強度比から温度を算出する光ファイバ１２０の温度分布計測装置１１０においては，光ファイバ１２０中を伝搬するレーザパルス光が温度計の感温部に相当するため，温度測定値は当該測定点前後の温度平均値となる。従って，空間分解能は，光ファイバ１２０の一部にステップ的な温度差を与えたときの温度分布から評価できる。ここで，空間分解能は，ステップ状の実温度分布に対して測定値が１０％から９０％応答するまでの距離と定義した。

図３は，分布型光ファイバ温度計測装置の空間分解能の一例を示す模式図である。空間分解能は被測定対象物の温度を正確に測定するために必要な光ファイバの長さである。測定精度にもよるが，例えば，出射光のパルス幅が２０ｎｓで受信器１１６のサンプリング周波数が１００ＭＨｚ（サンプリング周期１０ｎｓ）の仕様の温度分布計測装置１１０に対し，光ファイバ１２０の一部に約１５℃の温度差を与えた場合，図３に示す通り，温度分布に対して測定値が１０％から９０％応答するまでの距離は約１．８ｍであった。すなわち，正確な温度を計測するためには一地点について１．８ｍの光ファイバ１２０が必要である。

従って，気温と水温に差がある場合，水面に対し直交する方向に沿って光ファイバ１２０を，例えば，所望の水位測定精度範囲内に螺旋状に空間分解能分巻回させることによって，光ファイバ１２０が温度変化を正確に識別できる長さを確保できるので，水面に対し直交する方向に対し，各位置における温度を正確に測定することができる。従って，水位測定部１４０において，空中部と水中部で温度が変化する境界面の位置を正確に識別し，水位を正確に計測できる。

なお，センシング部は，空中部の位置と水中部の位置を明確に識別するため，最大水深時でも水面から例えば，最小センシング長を１．８ｍとした場合，長さ１．８ｍ以上の光ファイバ１２０を空中に出しておくことが望ましい。

しかし，気温と水温の差ΔＴが無い場合，断熱材の外周部に巻回された光ファイバのみでは，空中部と水中部の境界面識別が難しく，その結果，水位の正確な計測が困難となる。図４は，この課題に対して用いられる光ファイバ水位計の構造例を示す図であり，（ａ）は外観図，（ｂ）は横断面を示す模式図，（ｃ）は縦断面を示す模式図である。この光ファイバ水位計は，円筒状断熱材４１０の外周部に巻回された光ファイバ１２０ａに加え，円筒状断熱材１４０の内周部に巻回された光ファイバ１２０ｂを有する。円筒状断熱材４１０の外周部は第一のセンシング部を構成し，円筒状断熱材１４０の内周部は第二のセンシング部を構成する。なお，円筒状断熱材４１０の内部にも断熱材４２０が配置されている。本構造の光ファイバ水位計においては，第二のセンシング部で計測される温度分布は第一のセンシング部で計測される温度分布に対し時間遅延が生じる。第二のセンシング部で計測された温度分布の時間変化は断熱材の周囲の媒質に依存する。従って，気温と水温の差ΔＴが無く気温と水温が同等の状態で水位が上下した場合でも，温度分布の時間遅延及び温度分布変化をモニタリングすることで，水位を適切に把握できる。

図５は，本実施例の水位測定部１４０の構成例を示す模式図である。本実施例の水位測定部は，第二のセンシング部の高さ方向の温度分布を記録する第１のメモリを有し，第１のメモリに記録された温度分布の所定周期に対する変化を計測し，当該温度分布の変化の変化点から水位を検出する。更には，水と空気に対する温度ごとの温度伝導率を記憶した第２のメモリと，第２のメモリに記憶された温度伝導率を用いて第二のセンシング部の周囲の媒質に変化がない場合及び周囲の媒質が変化した場合の温度分布の所定周期に対する変化を算出する微分係数算出器と，計測された温度分布の変化と微分係数算出器によって算出された前記温度分布の変化を比較する比較部を有する。

温度分布計測装置１１０から送られた温度情報と位置情報に基づいて構成される温度分布データは，円筒状断熱材の外周部の温度分布データ５０１と内周部の温度分布データ５０２に分類される。先述したとおり，断熱材外周部の温度分布において，空中部と水中部で温度が変化する界面の位置を識別した場合，そのデータに基づき水位計測回路５０９により水位が算出され出力される。

一方，空中部と水中部の温度が同等の場合，すなわち第一のセンシング部の温度が装置の温度分解能の範囲で高さ方向に分布を示さず一定温度を示す場合には，まずは，周りの媒質及び断熱材外周部の温度情報からＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ５０３に記憶されている温度伝導率を参照し，その温度伝導率に基づいて微分係数算出器５０４によって所定周期に対する断熱材内周部の温度分布変化を算出する。すなわち，水中部のままの箇所の断熱材内周部の温度変化，水位上昇により空中部から水中部に変化した箇所の断熱材内周部の温度変化，水位低下により水中部から空中部に変化した箇所の断熱材内周部の温度変化，空中部のままの箇所の断熱材内周部の温度変化を算出する。

同時に，メモリ５０５では断熱材内周部で実測した温度分布を記憶し，微分係数算出器５０６において所定周期に対する温度分布変化を計測する。このとき，所定周期は温度分布の変化を正確に把握できる程度が好ましく，例えば，１０秒周期でも時間に対する温度分布の変化は計測可能である。計測したデータは更新器５０７に送られ，例えば，１０秒間隔で新しいデータに上書きされる。更新器５０７のデータは時間に対する温度分布としてプロットされ，このプロットデータと微分係数算出器５０４で算出した値を微分係数比較回路５０８において比較する。これにより，センシング部の周りの媒質が水の場合と空気の場合とで，断熱材内周部の温度分布の時間的変化が異なるので，所定周期に対する温度分布変化から水位を計測することが可能である。また，微分係数算出器５０４により算出された値を参考にすることで，環境起因や測定ばらつきによる計測データばらつきを無視することができるので，結果的に水位測定エラーを回避できる効果もある。

図６は，本実施例の光ファイバ水位計測装置における水位計測の手順を示すフローチャートである。まず，図１に示すように，光源１１１から出射された例えば１５５０ｎｍの波長光がパルス発生器１１２によりパルス変調された後，光ファイバ１２０の入射端に入射される（Ｓ１１）。その後，光ファイバ１２０の長手方向における各位置から入射端に帰還した後方散乱光が光分岐部１１４を介して波長分離フィルタ１１５に伝搬され，後方散乱光のうちラマン散乱光のストークス光（約１６５０ｎｍ）とアンチストークス光（約１４５０ｎｍ）が抽出されて受信器１１６により受信される（Ｓ１２）。周波数成分強度比演算回路１１７においてストークス光とアンチストークス光の強度比が検出され（Ｓ１３），光帰還時間演算回路１１９においてその強度比に対応する光ファイバ１２０の位置情報が得られる（Ｓ１４）。また，強度比に基づき温度演算回路１１８において温度データが得られる（Ｓ１５）。

円筒状断熱材の外周部に巻回された光ファイバ１２０によって取得した温度分布の温度の異なる領域，すなわち水温と気温の情報から両者の温度差の有無を確認し（Ｓ１６），温度差があると判断された場合は，［式３］で算出される温度と温度分布データの交点から水位を特定する（Ｓ１７）。ここで，Ｔ_maxは温度分布における最高温度，Ｔ_minは最低温度である。

［式３］

一方，ステップＳ１６において気温と水温の差（ΔＴ）が所定値未満と判断された場合は，断熱材外周部及び断熱材内周部の温度分布を計測し（Ｓ１８），それらのデータに基づき周囲の媒質と温度に対応した温度伝導率をメモリ５０３から参照し，所定周期に対する温度分布変化を算出する（Ｓ１９）。このとき，ステップＳ１６の判定における所定値は装置の温度分解能とする。ここで，温度分解能は，被測定光ファイバ数十ｍを一定温度に設定された恒温槽に入れ，統計処理により算出した標準偏差σと定義する。さらに信頼性を向上させるため，例えば所定値は９５％信頼区間を満たす２σとしてもよい。９５％信頼区間とは，１００回の温度測定のうち９５回はある範囲に母平均が存在する幅のことである。更に，信頼性を向上させるため，例えば所定値に９９％信頼区間を満たす３σを用いると良い。同時に，断熱材内周部の温度を計測し，所定周期に対する温度分布変化を計測する（Ｓ２０）。ステップＳ１９とステップＳ２０のデータを比較し，光ファイバ水位計１３０の空中部の位置と水中部の位置を明確に識別して水位を特定する（Ｓ２１）。このように，センシング部の周りの媒質が水の場合と空気の場合とで断熱材内周部の所定時間に対する温度分布の変化が異なることを利用し，水位を計測する。

このようにして得られた温度データや所定周期に対する温度分布変化のデータをもとに，下水道管渠内や河川等の水位が計測される。

図６の手順に従い，実際に本実施例の光ファイバ水位計測装置を用い，断熱材外周部の空中部の位置と水中部の位置に温度差がある場合と，無い場合の両方に対し水位を計測した。具体的には，空間分解能１．８ｍ，サンプリング周波数１００ＭＨｚの分布型温度計測装置を用いた場合，水位計測精度１０ｍｍ以下を実現するため，直径８０ｍｍの円筒状の断熱材，例えばプラスチック材料，に光ファイバ１２０を最小巻きピッチ０．９ｍｍで螺旋状に巻回させた。また，円筒状の断熱材内部の温度分布を計測するため，断熱材の直径４０ｍｍの箇所に光ファイバ１２０を最小巻きピッチ０．９ｍｍで螺旋状に巻回した。

まずは，気温と水温に例えば０．５℃の温度差がある場合，水位を所望の値に設定し，光ファイバ水位計のセンシング部に巻かれた光ファイバ１２０にパルス光を入射してセンシング部の高さ方向に対する温度分布を計測した。水位は断熱材外周部の空中部と水中部で温度が変化する境界面の位置から算出した。

図７（ａ）は，設定水位が５０ｍｍのときのセンシング部の高さ方向に対する温度分布を示す図である。断熱材外周部の空中部と水中部の温度差が０．５℃の場合，［式３］より算出される値と温度分布の交点から，水位は５０ｍｍと算出された。算出値は設定値と一致した。また，図７（ｂ）は，設定水位値と測定結果の比較を示す図である。断熱材外周部の空中部と水中部の温度差を０．５℃に設定し，水位を０ｍｍから１００ｍｍまで１０ｍｍ刻みで変化させた。各水位に対し１０回測定した結果，測定平均値は偏りがなく設定水位値とほぼ一致した。従って，断熱材外周部の空中部と水中部に温度差がある場合は高精度に水位を計測できることを実証した。

次に，断熱材外周部の空中部と水中部に温度差がない場合に，センシング部に巻かれた光ファイバ１２０にパルス光を入射し，断熱材の外周部の温度及び断熱材の内周部の温度分布を計測した。ここで，測定条件として，図８に示すように，気温及び水温は時々刻々と変化する２４時間周期の正弦波であると仮定した。光ファイバ水位計の断熱材外周部で計測した気温及び水温は実線で表される。一方，断熱材内部で計測した気温及び水温は点線で表示される。本実施例の効果を実証するため，気温と温度が同等になる時刻において，水位を上昇又は下降させた。

所定周期に対する断熱材内周部の温度分布変化は，光ファイバ水位計のセンシング部の周りの媒質の温度伝導率と断熱材内周部の初期温度分布を用いて算出される。ここで，各媒質の温度伝導率ａは［式４］に示すように，比熱ｃ，密度ρ，熱伝導率λの関数であり，光ファイバ水位計測装置に備わっている水位測定部１４０のメモリ５０３に記憶されている。具体的には，センシング部の周りの媒質は空気又は水であり，気温と水温に応じた温度伝導率がメモリ５０３に記憶されている。

［式４］

今回，測定装置の仕様を考慮し，所定周期は１０秒と設定した。断熱材内周部の所定時間に対する温度分布変化は，［式５］の非定常熱伝導方程式を時間微分に関して前進差分近似，空間微分に関して中心差分近似により離散化して算出した。ここで，Ｔ，ｘ，ｙはそれぞれ温度，横方向，高さ方向の単位長さを示す。

［式５］

一方，所定周期に対する温度分布変化の測定方法は，所定時間（ここでは１０秒とした）毎に断熱材内周部の温度分布が計測されメモリ５０５に記憶される。メモリ５０５には，ある時間における断熱材内周部の温度分布（Ｔ_n）とその直前に計測された断熱材内周部の温度分布（Ｔ_n-1）が保存されており，微分係数算出器５０６において，［式６］により所定周期に対する温度分布変化を計測した。

［式６］

算出値と実測値を比較するにあたり，まずは，メモリ５０３に記憶されている温度伝導率と［式５］を用いて，微分係数算出器５０４で各高さ位置に対する温度変化率が算出される。算出値は微分係数比較回路５０８に送られて，断熱材内周部の所定周期に対する温度変化率としてプロットされる。断熱材内周部の所定周期に対する温度変化率が算出されると同時に，実測側では微分係数算出器５０６の値が更新器５０７に送られ時間に対する温度分布としてプロットされる。実測結果は微分係数比較回路５０８で算出値と比較され，断熱材内周部の所定周期に対する温度分布変化のプロットにおいて，局所的に周囲より大きいまたは小さい温度変化率を検知し，水位計測回路５０９で水位変化を計測する。

本実施例において，温度が同等な場合における水位変化は，断熱材内周部の所定周期に対する温度分布変化をプロットし，局所的に周囲より大きいまたは小さい温度変化率を示す高さ範囲を検知することで，計測される。このとき，断熱材内部の初期温度差が空中部と水中部で大きい場合は，温度変化率に優位な差があるため，実測値だけからでも水位計測は可能である。しかし，断熱材内部の初期温度差が空中部と水中部で小さい場合では，所定計測時間内において装置の光量ばらつきや光源の揺らぎにより，実測値にばらつきが生じる可能性があり，実測値だけからでは水位の位置を正確に特定できない恐れがある。そのため，断熱材内部の初期温度と断熱材外周の温度から算出された計算結果を用いることで，実測値が実際の温度変化率を示しているか，または，装置の光量ばらつきや光源の揺らぎによる見せかけの温度変化率なのかを判別することができる。従って，温度変化率の算出値と実測値を比較することで，結果的に水位計測の正確性が増す。

図９は，所定周期に対する温度分布変化の算出値と実測値を比較した結果の例を示す図である。図９（ａ）は，気温と水温が同等になった瞬間に水位が５０ｍｍから８０ｍｍに上昇したときの光ファイバ水位計の高さ方向に対する，温度分布の時間変化を示す図である。このとき，断熱材には比熱ｃ＝１９３０Ｊ／（ｋｇ・Ｋ），密度ρ＝９００ｋｇ／ｍ³，熱伝導率λ＝０．１２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のプラスチック材料を使用した。外周部の光ファイバ１２０で測定した気温及び水温は２９℃で，空気にさらされた断熱材内周部の初期温度は２９．５℃，一方，水にさらされた断熱材内周部の初期温度は２９．２℃であった。温度２９℃における空気の温度伝導率は約２．２５×１０^-8ｍ²／ｓ，水の温度伝導率は約１．５４×１０^-7ｍ²／ｓである。これらの値に基づき微分係数算出器５０４により算出された所定周期に対する温度分布は，例えば，気温と水温が同等になった瞬間から１０秒後の温度は，媒質が空気から水に変わった箇所（高さ５０ｍｍから８０ｍｍ）では，断熱材内周部の温度が２９．５℃から２９．３℃となった。一方，媒質が空気のままの箇所（高さ８０ｍｍ以上）では断熱材内周部の温度は２９．５℃から２９．３７℃に温度が低下した。従って，時間に対する温度変化の絶対値は，空気から水に変わった箇所では０．０２℃／ｓで，空気のままの箇所では０．０１２℃／ｓと算出された。実測値は測定ばらつきが僅かに存在しているが，算出値と一致していることがわかった。

従って，気温と水温が同等のときに光ファイバ水位計の断熱材内周部の所定周期に対する温度分布変化をプロットしたとき，局所的に周囲より大きな温度変化率を示す高さ範囲があったとき，その高さ範囲は水位上昇により断熱材への接触媒質が空気から水に変わった箇所であると判断することができる。そして，この大きな温度変化率を示す高さ範囲のうち最大の高さ位置を現在の水位と推定することができる。また，時間に対する温度変化の絶対値は，気温＜水温の場合でも，気温＞水温の場合と同様に，図９（ａ）のパターンは同等になる。

一方，図９（ｂ）は，気温と水温が同等になった瞬間に水位が８０ｍｍから５０ｍｍに低下したときの光ファイバ水位計の高さ方向に対する，温度分布の時間変化を示す図である。断熱材は前述のプラスチックと同一である。外周部の光ファイバ１２０で測定した気温及び水温は２９℃で，空気にさらされた断熱材内周部の初期温度は２９．５℃，一方，水にさらされた断熱材内周部の初期温度は２９．２℃であった。２９℃における空気及び水の温度伝導率は前述の通りであり，これらの値に基づき微分係数算出器５０４により算出された所定周期に対する温度分布は，例えば，気温と水温が同等になった瞬間から１０秒後の温度は，媒質が水から空気に変わった箇所（高さ５０ｍｍから８０ｍｍ）では，断熱材内部の温度が２９．２℃から２９．１５℃になった。一方，媒質が空気のままの箇所（高さ８０ｍｍ以上）では断熱材内周部の温度が２９．５℃から２９．３７℃に温度が低下した。従って，時間に対する温度変化の絶対値は，水から空気に変わった箇所では０．００５℃／ｓで，空気のままの箇所では０．０１２℃／ｓと算出された。本実測においても，算出値と実測値がほぼ一致することを確認した。

従って，気温と水温が同等のときに光ファイバ水位計の断熱材内周部の所定周期に対する温度分布変化をプロットしたとき，局所的に周囲より小さな温度変化率を示す高さ範囲があったとき，その高さ範囲は水位低下により断熱材への接触媒質が水から空気に変わった箇所であると判断することができる。そして，この小さな温度変化率を示す高さ範囲のうち最小の高さ位置を現在の水位と推定することができる。また，時間に対する温度変化の絶対値は，気温＜水温の場合でも，気温＞水温の場合と同様に，図９（ｂ）のパターンは同等になる。

以上より，光ファイバ水位計の外周部に巻回された光ファイバ１２０によって空中部と水中部における温度差から境界検出が困難な場合においても，断熱材内周部の所定周期に対する温度分布変化を計測することで水位を特定できることを実証した。

また，図９において実測値に外部環境要因による測定ばらつきが見られるが，所定周期に対する温度分布変化の算出値と実測値を比較することで，水位を正確に検出することができる。

また，図９（ｃ）は，気温と水温が同等で，水位（５０ｍｍ）に変化がないときの光ファイバ水位計の高さ方向に対する，温度分布の時間変化を示す図である。外周部の光ファイバ１２０で測定した気温及び水温は２９℃で，空気にさらされた断熱材内周部の初期温度は２９．５℃，一方，水にさらされた断熱材内周部の初期温度は２９．２℃であった。２９℃における空気及び水の温度伝導率は前述の通りであり，これらの値に基づき微分係数算出器５０４により算出された所定周期に対する温度分布は，例えば，気温と水温が同等になった瞬間から１０秒後の温度は，媒質が水のままの箇所（高さ０ｍｍから５０ｍｍ）では，断熱材内部の温度が２９．２℃から２９．１２℃になった。一方，媒質が空気のままの箇所（高さ５０ｍｍ以上）では断熱材内周部の温度が２９．５℃から２９．３７℃に温度が低下した。従って，時間に対する温度変化の絶対値は，水のままの箇所では０．００７℃／ｓで，空気のままの箇所では０．０１２℃／ｓと算出された。

従って，気温と水温が同等の場合に光ファイバ水位計の断熱材内周部の所定周期に対する温度分布変化をプロットしたとき，局所的に周囲より大小の温度変化率を示す高さ範囲が存在しない場合は，水位が変化しなかったと判断することができる。

以上，円筒状断熱材の外周部の空中部と水中部に温度差がある場合には，当該外周部に巻回された光ファイバ１２０で計測した温度から水位を計測し，一方，空中部と水中部に温度差が無い場合には，円筒状断熱材の内周部に巻回された光ファイバ１２０で計測した所定周期に対する温度分布変化から水位を正確に計測できることを実証した。

なお，光ファイバ自身の破断等による断線故障の検出は，時間分割方式を用い，検査光発生部から光ファイバに光を入射した時にフレネル反射光が検出されることで行う。ここで，フレネル反射とは，接続点等での急激な屈折率の変化により生じる反射のことであり，光ファイバが破断した場合，ファイバの屈折率と空気の屈折率が異なることで発生する。この場合，光源の入射からフレネル反射光の受光までの経過時間によって光ファイバ断線位置を概略特定できるので，例えば流木等によって切断された光ファイバ１２０の切断箇所を容易に発見でき，補修作業時間等を短縮できる。また，例えば経時劣化により断線した光ファイバの断線箇所をも容易に発見できるため，破断箇所の状態により癒着による修繕か又は新しい光ファイバを敷設するか等の判断を迅速に行うことができる。このように，この光監視システムを用いることで，随時，検査光発生部から出射される光による光ファイバの光試験を行うことで，光伝送系に係る故障の監視を行うことができる。また，本実施例の光ファイバ水位計測装置は，フレネル反射光が検出された場合に，光ファイバが断線した等の状況を警報でユーザーに知らせる機能を搭載している。

また，本実施例では光ファイバ水位計１３０が単体の場合を一例として示したが，光ファイバ水位計１３０の個数は１つに限定されるものではなく，１本の光ファイバ１２０を用いて複数の光ファイバ水位計１３０を複数作製し，所定間隔で設置しても良い。また，光ファイバ１２０の本数も１本に限定されるものではなく，光分岐部１１４と光ファイバ１２０の間に光スイッチを介することで，光ファイバ１２０の本数を増やすことができる。これにより，光ファイバ水位計１３０の個数も増やすことが可能となる。

図１０は，下水道管渠内に複数の光ファイバ水位計を設置した光ファイバ水位測定システムの一例を示す模式図である。システムはコントロール施設１０１０，光ファイバ１２０，光ファイバ収容箱１０１１，及び下水道管渠１０１３内の複数の監視箇所に設置された光ファイバ水位計１０１２を備える。コントロール施設１０１０は有人施設であり，図１に示した温度分布計測装置１１０が設置されている。温度分布計測装置１１０内の光源から出射された光は光ファイバ１２０に入射され，光ファイバ収容箱１０１１を介して各々の光ファイバ水位計１０１２に伝搬される。伝搬された光は光ファイバ内の長手方向各位置で散乱され，そのうち後方ラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光が光ファイバ内を伝搬し，コントロール施設１０１０に設置されている温度分布計測装置１１０で受光される。受光されたラマン光の強度比から各光ファイバ水位計１０１２の高さ方向の温度分布が算出される。算出された温度分布に基づき，コントロール施設１０１０のモニターに各々の箇所の水位が表示される。こうして，遠隔地にあるコントロール施設１０１０から下水道管渠内の各箇所の水位を常時監視できる。

図１１は，下水道環境における光ファイバ水位計の設置例を示す模式図である。下水道には大小様々な物体，例えば流木等，が流れており，保護カバーなしに光ファイバ水位計を設置してしまうと，光ファイバが切断され，水位計測に支障が生じる恐れがある。そのため，図１１に示すように，光ファイバ断線防止を目的とした金属製の保護カバー１１０１で光ファイバ水位計１０１２を保護する。保護カバー１１０１はネジ等の固定具によって下水道のコンクリート壁１１０３に固定され，光ファイバ水位計１０１２は水位計固定器具１１０２によって保護カバー１１０１に固定され，保護カバー１１０１と光ファイバ水位計１０１２の間，光ファイバ水位計１０１２とコンクリート壁１１０３の間には空間が確保されている。保護カバー１１０１の下部にはフィルタ付きの開口部１１０４が設けられており，水のみが光ファイバ水位計側，すなわち保護カバー１１０１の内側の光ファイバ水位計１０１２の周囲の空間に流れ込む仕組みとなっている。こうすることで，光ファイバ水位計１０１２に巻回されている光ファイバに下水道を流れている水が直接触れるので，光ファイバ水位計１０１２の空中部と水中部の温度差を利用して下水道内の水位を計測できるようになる。

［実施例２］
本発明による光ファイバ水位計測装置の別の実施例について説明する。本実施例は，実施例１と同様に，所望の水位計測精度を満たすように水面に対し直交する軸の回りに巻回された光ファイバをセンシング部とする光ファイバ水位計を用いる。光ファイバ水位計のセンシング部の一部が水中に浸けられた状態で，光ファイバ内にパルス光を入射し，光ファイバの各位置から散乱されたラマン散乱光のうちストークス光とアンチストークス光の強度比に基づいて，空中部に位置する箇所の温度と水中部に位置する箇所の温度を識別し，空中部と水中部の境界位置を認識して水位を計測する。こうして，水面に対し鉛直方向におけるそれぞれの位置の温度を計測し，時々刻々変化する水位を精度よく計測するまでの手順は，実施例１とほぼ同等である。

ただし，断熱材外周部の空中部と水中部に温度差がない場合における水位計測において，断熱材内周部の時間に対する温度変化量を記憶したメモリを参照し，断熱材内周部の各高さ位置の温度の時間的変化から水位を計測するという点では実施例１と異なる。以下では，断熱材内部各高さ位置の時間に対する温度変化量を記憶したメモリを参照し，温度変化から水位を計測する方法について説明する。

図１２は，本実施例による水位測定部１４０の構成例を示す模式図である。なお，図５に示した部品と同じものには同一の符号を付し，その詳細な説明を省略する。光ファイバ温度分布計測装置１１０は，実施例１と同様の構造のものを用いた。本実施例の水位測定部は，第二のセンシング部の高さ方向の温度分布を所定周期で記録する第１のメモリを有し，第１のメモリに記録された温度分布から導出された高さごとの温度の時間変化を比較することにより水位を検出する。更に，水と空気の温度ごとの温度伝導率を記憶した第２のメモリと，第２のメモリに記憶された温度伝導率を用いて第二のセンシング部の周囲の媒質に変化がない場合及び周囲の媒質が変化した場合の温度の時間変化を算出する温度変化算出部と，計測に基づく高さごとの温度の時間変化と温度変化算出部によって算出された温度の時間変化を比較する比較部を有する。

温度分布計測装置１１０から送られた温度分布情報はそれぞれ円筒状断熱材の外周部の温度分布データ５０１と内周部の温度分布５０２に分類される。実施例１と同様，外周部の温度分布データから空中部と水中部で温度が変化する界面の位置を識別できた場合には，そのデータに基づき水位計測回路５０９により水位が算出され出力される。

一方，断熱材外周部において空中部と水中部の温度が同等の場合，第一のセンシング部の温度が装置の温度分解能の範囲で高さ方向に分布を示さず一定温度を示す場合には，まずは，メモリ５０３において周りの媒質及び温度情報から温度伝導率を参照し，その温度伝導率に基づいて温度変化算出回路１２０１によって断熱材内部の時間に対する温度変化量を算出する。同時に，メモリ１２０２において断熱材内部の高さ方向の温度分布を随時記憶する。このとき，メモリ１２０２にデータを記憶させる時間間隔は温度分布変化量を正確に把握できる程度が好ましい。メモリ１２０２の計測データは随時，プロット部１２０３において高さ位置毎にプロットされ，このプロットデータと温度変化算出回路１２０１で算出したデータを比較回路１２０４において比較する。これにより，センシング部の周りの媒質が水の場合と空気の場合で，断熱材内周部の温度分布の時間的変化が異なるので，時間に対する温度分布変化量から水位を計測することが可能である。

図１３は，本実施例の光ファイバ水位計測装置における水位計測の手順を示すフローチャートである。図１３において，ステップＳ１１からステップＳ１８までの工程は，実施例１の図６と同様である。こうして，光ファイバ水位計の円筒状断熱材の外周部に巻回された光ファイバ１２０から気温と水温に温度差があると判断された場合（Ｓ１６）には，実施例１と同様に，［式３］で算出される温度と温度分布データの交点から水位を特定する（Ｓ１７）。

一方，ステップＳ１６の判定において気温と水温の差ΔＴが所定値未満と判断された場合には，断熱材外周部及び断熱材内周部の温度分布を計測し（Ｓ１８），それらのデータに基づき周囲の媒質と温度に対応した温度伝導率をメモリ５０３から参照し，時間に対する温度分布変化量を算出する（Ｓ３１）。このとき，ステップＳ１６の判定に用いられる所定値は装置の温度分解能とし，装置の温度分解能の定義は実施例１と同様である。同時に，断熱材内周部の温度を計測し，メモリ１２０２に計測データを記憶し，プロット部１２０３へデータを随時送信し，高さ位置毎に時間に対する温度分布変化量をプロットする（Ｓ３２）。ステップＳ３１とステップＳ３２のデータを比較し，光ファイバ水位計の空中部の位置と水中部の位置を明確に識別することで水位を計測する（Ｓ３３）。このように，センシング部の周りの媒質が水と空気の場合で断熱材内部における時間に対する温度分布変化量が異なることを利用し，水位を計測する。このようにして得られた温度データや所定周期に対する温度分布変化のデータをもとに，下水道管渠内や河川等の水位が計測される。

図１３に示した手順に従い，実際に本実施例の光ファイバ水位計測装置を用い，断熱材外周部の空中部の位置と水中部の位置に温度差がない場合に水位を計測した。具体的には，空間分解能１．８ｍ，サンプリング周波数１００ＭＨｚの分布型温度計測装置を用いた場合，水位計測精度１０ｍｍ以下を実現するため，直径８０ｍｍの円筒状の断熱材，例えばプラスチック材料，に光ファイバ１２０を最小巻きピッチ０．９ｍｍで螺旋状に巻回させた。また，円筒状の断熱材内部の温度分布を計測するため，内周直径４０ｍｍの箇所に光ファイバ１２０を最小巻きピッチ０．９ｍｍで螺旋状に巻回した。なお，外周部の温度に対する内周部の温度遅延量は断熱材の厚みで調整できる。

水位計測にあたり，まずは，センシング部に巻かれた光ファイバ１２０にパルス光を入射し，断熱材の外周部の温度及び断熱材の内周部の温度分布を計測した。ここで，測定条件として，実施例１同様，図８に示すように，気温及び水温は２４時間周期の正弦波であると仮定した。また，気温と温度が同等になった時点で，水位を変化させた。空中部と水中部の境界線は，時間に対する温度分布変化の算出値と実測値を比較することで識別した。

時間に対する温度分布変化量の算出方法は，センシング部の周りの媒質の温度伝導率と断熱材内周部の初期温度分布を用いて算出される。ここで，各媒質の温度伝導率ａは［式４］で示すように，比熱ｃ，密度ρ，熱伝導率λの関数であり，光ファイバ水位計測装置に備わっている水位測定部１４０のメモリ５０３に記憶されている。具体的には，センシング部の周りの媒質は空気又は水であり，気温と水温に応じた温度伝導率がメモリ５０３に記憶されている。また，断熱材内部の時間に対する温度分布変化量は［式５］の非定常熱伝導方程式を時間微分に関して前進差分近似，空間微分に関して中心差分近似により離散化して算出し，温度変化算出回路１２０１でプロットした。

一方，時間に対する温度分布変化量は，所定時間（ここでは２５秒とした）毎に断熱材内部の温度分布が計測され，メモリ１２０２に記憶される。メモリ１２０２には，ある時間におけるセンシング部の各位置の温度が記憶されており，このデータは計測間隔毎にプロット部１２０３に送られ，プロットされる。

算出値と実測値を比較するにあたり，まずは，メモリ５０３に記憶されている温度伝導率と［式５］を用いて，温度変化算出回路１２０１で時間に対する温度変化量が算出される。算出値は比較回路１２０４に送られて，断熱材内周部の時間に対する温度変化量としてプロットされる。断熱材内周部の所定周期に対する温度変化率が算出されると同時に，実測側では各時刻における断熱材内部の温度分布がメモリ１２０２に記憶され，プロット部１２０３に送られて時間に対する温度変化量としてプロットされる。実測結果は比較回路１２０４で算出値と比較され，断熱材内周部の時間に対する温度変化量のプロットにおいて，温度変化量の差を検知し，水位計測回路５０９で水位変化を計測する。

本実施例において，温度が同等な場合における水位変化は，断熱材内周部の時間に対する温度分布変化量をプロットしたとき，その温度分布変化量の違いを検知することで，計測される。このとき，断熱材内部の初期温度差が空中部と水中部で大きい場合は，温度分布変化量に優位な差があるため，実測値だけからでも水位計測は可能である。しかし，断熱材内部の初期温度差が空中部と水中部で小さい場合では，所定計測時間内において装置の光量ばらつきや光源の揺らぎにより，実測値にばらつきが生じる可能性があり，実測値だけからでは水位の位置を正確に特定できない恐れがある。そのため，断熱材内部の初期温度と断熱材外周の温度から算出された計算結果を用いることで，実測値が実際の温度変化量を示しているか，または，光量ばらつきや光源の揺らぎによる見せかけの温度変化量なのかを判別することができる。従って，温度変化量の算出値と実測値を比較することで，結果的に水位計測の正確性が増す。

図１４は，時間に対する温度分布変化量の算出値と実測値を比較した結果を示す図である。図１４（ａ）は，気温と水温が同等になった瞬間に水位が５０ｍｍから８０ｍｍに上昇した場合の時間に対する計測温度を表す図である。このとき，断熱材には比熱ｃ＝１９３０Ｊ／（ｋｇ・Ｋ），密度ρ＝９００ｋｇ／ｍ³，熱伝導率λ＝０．１２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のプラスチック材料を使用した。断熱材外周部の光ファイバ１２０で測定した気温及び水温は２９℃で，空気にさらされた断熱材内部の初期温度は２９．５℃，一方，水にさらされた部分の断熱材内部の初期温度は２９．２℃であった。２９℃における空気及び水の温度伝導率はそれぞれ約２．２５×１０^-8ｍ²／ｓと約１．５４×１０^-7ｍ²／ｓである。実測値と算出値は一致しており，媒質が水のままの箇所（高さ０ｍｍから５０ｍｍ），空気から水に媒質が変化した箇所（高さ５０ｍｍから８０ｍｍ），及び媒質が空気のままの箇所（高さ８０ｍｍ以上）で時間に対する温度分布変化量が明らかに異なっている。

従って，気温と水温が同等のときに光ファイバ水位計の断熱材内周部の各高さ位置における温度変化をプロットしたとき，初期温度が空中部と同じであって時間経過とともに空中部の温度から所定の温度に近づくような変化において，空中部のままの温度変化よりも温度変化が急な変化を示した高さ位置があると，その高さ位置は水位上昇により断熱材への接触媒質が空気から水に変わった高さ位置であると判断することができる。そして，そのような変化を示す高さ位置のうち最大の高さ位置を現在の水位と推定することができる。また，時間に対する温度変化のプロットは，気温＜水温の場合でも，気温＞水温の場合と同様に，図１４（a）のパターンは同等で断熱材への接触媒質が水と空気とで異なる。

一方，図１４（ｂ）は，気温と水温が同等になった瞬間に水位が８０ｍｍから５０ｍｍに低下したときの時間に対する計測温度の変化を表す図である。断熱材は前述のプラスチックと同一のものを使用した。外周部の光ファイバ１２０で測定した気温及び水温は２９℃で，空気にさらされた断熱材内周部の初期温度は２９．５℃，一方，水にさらされた断熱材内周部の初期温度は２９．２℃であった。２９℃における空気及び水の温度伝導率はそれぞれ約２．２５×１０^-8ｍ²／ｓと約１．５４×１０^-7ｍ²／ｓである。媒質が水のままの箇所（高さ０ｍｍから５０ｍｍ），水から空気に媒質が変化した箇所（高さ５０ｍｍから８０ｍｍ），及び媒質が空気のままの箇所（高さ８０ｍｍ以上）で時間に対する温度分布変化量が明らかに異なっている。

従って，気温と水温が同等のとき光ファイバ水位計の断熱材内周部の各高さ位置における温度変化をプロットしたとき，初期温度が水中部と同じであって時間経過とともに水中部の温度から所定の温度に近づくような変化において，空中部のままの温度変化よりも温度変化が緩やかな変化を示した高さ位置があると，その高さ位置は水位低下により断熱材への接触媒質が水から空気に変わった高さ位置であると判断することができる。そして，そのような変化を示す高さ位置のうち最小の高さ位置を現在の水位と推定することができる。また，時間に対する温度変化のプロットは，気温＜水温の場合でも，気温＞水温の場合と同様に，図１４（b）のパターンは同等で断熱材への接触媒質が水と空気とで異なる。

以上より，外周部の光ファイバ１２０において空中部と水中部における温度差から境界検出が困難な場合においても，断熱材の内部温度分布の時間に対する温度分布変化量を計測することで水位を特定できることを実証した。

また，図１４（ｃ）は，気温と水温が同等で，水位（５０ｍｍ）に変化がないときの時間に対する計測温度の変化を表す図である。外周部の光ファイバ１２０で測定した気温及び水温は２９℃で，空気にさらされた断熱材内周部の初期温度は２９．５℃，一方，水にさらされた断熱材内周部の初期温度は２９．２℃であった。２９℃における空気及び水の温度伝導率は前述の通りである。媒質が水のままの箇所（高さ０ｍｍから５０ｍｍ），及び媒質が空気のままの箇所（高さ５０ｍｍ以上）で時間に対する温度分布変化量が明らかに異なっている。

従って，気温と水温が同等のとき光ファイバ水位計の断熱材内周部の各高さ位置における温度変化をプロットしたとき，初期温度がそれぞれ水中部および空中部と同じであったとき，時間経過とともにそれぞれ水中部および空中部の温度が所定温度に近づくような変化において，時間に対する温度変化がスプリットしなかった場合は，水位が変化しなかったと判断することができる。

以上，光ファイバ水位計の断熱材外周部の空中部と水中部に温度差がある場合は，実施例１と同様，円筒状断熱材の外周部に巻回された光ファイバ１２０で計測した温度から水位を計測し，一方，光ファイバ水位計の断熱材外周部の空中部と水中部に温度差がない場合には，円筒状断熱材の内周部に巻回された光ファイバ１２０で計測した時間に対する温度分布変化量から水位を正確に計測できることを証明した。

このように，水位計測手段として断熱材内部の時間に対する温度分布変化量を計測することで，断熱材外周部の空中部と水中部の温度が同等の場合でも，正確に水位を計測することができるため，実施例１同様，高精度な光ファイバ水位計測装置を提供することができる。

［実施例３］
本実施例は，光ファイバ水位計のセンシング部の構造が異なる場合の例である。実施例１，２から変更していない部分に関しては実施例１，２と同等であるため，その詳細な説明を省略する。実施例１，２では，センシング部に用いられる断熱材は円筒状であって，第一のセンシング部は，その円筒状断熱材の外周部であり，第二のセンシング部は同一断熱材の内周部であった。

本実施例の光ファイバ水位計では，第一のセンシング部を第一の断熱材の外周部とし，第二のセンシング部を第一の断熱材とは別の断熱材の内周部とした。図１５は，センシング部が複数の断熱材に対して設定されている本実施例による光ファイバ水位計の一例を示す模式図である。図示の例では，センシング部は第一の円筒状断熱材１５０１の外周部に加え，それとは別の第二の円筒状断熱材１５０２の内周部に設定されている。第一の円筒状断熱材１５０１の外周部に巻回された光ファイバ１２０ａと，第二の円筒状断熱材１５０２の内周部に巻回された光ファイバ１２０ｂは光コネクタ１５０３を介して接続されている。第一の円筒状断熱材１５０１と第二の円筒状断熱材１５０２は，水位が変動した時，空中部と水中部の境界位置が同じように変化する場所に設置される。なお，図示の例では，第一の断熱材は円柱状であってもよい。

本実施例においても，光ファイバ１２０内にパルス光を入射し，光ファイバの各位置から後方散乱されたラマン散乱光のうちストークス光とアンチストークス光の強度比に基づいて，光ファイバ長手方向の各位置における温度，すなわち円筒状断熱材の軸方向高さ位置における温度を計測する。空中部と水中部に温度差がある場合は，第一の円筒状断熱材１５０１の外周部に巻かれた光ファイバ１２０ａによって空中部と水中部の境界位置を認識して水位を計測する。一方，空中部と水中部に温度差がない場合には，第一の円筒状断熱材１５０１とは別の第二の円筒状断熱材１５０２の内周部に巻回された光ファイバ１２０ｂによって断熱材内周部の温度を計測することで，実施例１と同様に所定周期に対する温度分布変化や，実施例２と同様に時間に対する温度分布変化量を計測する。その結果，実施例１，２と同様に，水位を正確に計測できるようになる。

センシング部が第一の円筒状断熱材１５０１の外周部に加え，第一の円筒状断熱材１５０１とは別の第二の円筒状断熱材１５０２である場合は，光コネクタ１５０３を介してそれぞれを接続できるので，どちらか一方が断線などで故障した場合でも，その故障したセンシング部のみを交換できるという利点を有している。

［実施例４］
本実施例は，光ファイバ水位計のセンシング部の構造が異なる場合の例である。変更していない部分に関しては実施例１〜３と同様であるため，その詳細な説明を省略する。

図１６は，本実施例による光ファイバ水位計の例を示す模式図である。本実施例の光ファイバ水位計は，図１６に示すように，断熱材からなる同一筺体１７０１の外周に素線光ファイバ１７０２と断熱材で被膜された被膜光ファイバ１７０３をそれぞれ螺旋状に巻回してセンシング部を構成した。換言すると，本実施例の光ファイバ水位計の第二のセンシング部は第一のセンシング部と同じ箇所に設定され，第二のセンシング部に巻回された光ファイバは断熱材で被覆されている。被膜光ファイバ１７０３は，一例として，例えば直径１０ｍｍのプラスチック材料からなる断熱材１７０４の中心に直径０．９ｍｍのテフロン被膜済み光ファイバ１７０５を埋め込んだものを用いた。

本実施例においても，光ファイバ内にパルス光を入射し，その光ファイバの各位置から後方散乱されたラマン散乱光のうちストークス光とアンチストークス光の強度比に基づいて，各位置における温度を計測する。光ファイバ水位計の空中部と水中部に温度差がある場合は，素線光ファイバ１７０２の温度分布から空中部と水中部の境界位置を認識して水位を計測する。一方，空中部と水中部に温度差がない場合には，被膜光ファイバ１７０３の温度分布を計測することで，実施例１と同様に所定周期に対する温度分布変化や，実施例２と同様に時間に対する温度分布変化量を計測する。その結果，他の実施例と同様に水位を正確に計測できるようになる。本実施形態では同一筺体の外周部を使用することができるため，光ファイバ水位計の作製が容易であるという利点を有している。

［実施例５］
本実施例は，光ファイバ水位計のセンシング部の構造が異なる場合の例である。変更していない部分に関しては実施例１〜４と同様であるため，その詳細な説明を省略する。本実施例の光ファイバ水位計は，実施例１，２と同様に，センシング部に用いられる断熱材は円筒状であって，第一のセンシング部はその円筒状の外周部であり，第二のセンシング部は同一断熱材の内周部である。ただし，本実施例においては，第一のセンシング部及び第二のセンシング部の２つのセンシング部を有する高さ範囲が，光ファイバ水位計の上部領域のみに限定されている。換言すると，本実施例の光ファイバ水位計では，第二のセンシング部は断熱材の上部領域にのみ設定されている。

図１７は，本実施例による光ファイバ水位計の例を示す模式図であり，（ａ）は外観を表す模式図，（ｂ）は横断面を表す模式図，（ｃ）は縦断面を表す模式図である。図示した例の光ファイバ水位計は，円柱状断熱材１８０１の全体の外周部に光ファイバ１２０を巻回し，更に上部領域Ａについて，すでに巻回されている光ファイバの上に更に断熱材１８０２を形成し，その断熱材１８０２の外周部に光ファイバを巻回して製造した。光ファイバ１２０は，光ファイバ水位計の上部領域Ａには外周部と内周部に二重に巻回され，下部領域Ｂには一重に巻回されている。光ファイバ水位計の上部領域Ａの外周部と下部領域Ｂが第一のセンシング部を構成し，上部領域Ａの内周部が第二のセンシング部を構成する。

本実施例においても，光ファイバ１２０内にパルス光を入射し，光ファイバの各位置から後方散乱されたラマン散乱光のうちストークス光とアンチストークス光の強度比に基づいて，各位置における温度を計測する。空中部と水中部に温度差がある場合は，外周部に巻かれた空中部と水中部の境界位置を認識して水位を計測する。一方，空中部と水中部の温度差が所定値未満の場合には，光ファイバ水位計の下部領域では境界位置を認識するのは困難であるが，上部領域では第一のセンシング部と第二のセンシング部の温度分布を計測することで，実施例１と同様に所定周期に対する温度分布変化や，実施例２と同様に時間に対する温度分布変化量を計測する。その結果，水位が上部領域Ａにある場合には，実施例１〜４と同様に水位を正確に計測できるようになる。

本実例では，第一のセンシングと第二のセンシング部を有する箇所は光ファイバ水位計の上部領域のみではあるが，確実に危険水位を計測できる。ここで，危険水位とは，例えば河川の氾濫基準水位であり，ユーザーや設置環境により異なる。また，第一のセンシングと第二のセンシング部を光ファイバ水位計の上部領域のみに設けるため，断熱材を節約することができ，光ファイバ水位計のコストも抑制できる。

［実施例６］
本実施例は，光ファイバ水位計のセンシング部の構造が異なる場合の例である。変更していない部分に関しては実施例１〜５と同様であるため，その詳細な説明を省略する。本実施例の光ファイバ水位計は，実施例１，２と同様に，センシング部に用いられる断熱材は円筒状であって，第一のセンシング部はその円筒状の外周部であり，第二のセンシング部は同一断熱材の内周部である。ただし，本実施例においては，第一のセンシング部及び第二のセンシングを有する部分を光ファイバ水位計の任意の高さに分散して設置できる構造となっている。

図１８は，本実施例による光ファイバ水位計の例を示す模式図であり，（ａ）は外観を示す模式図，（ｂ）は縦断面を示す模式図である。本実施例の光ファイバ水位計は，円柱状の断熱材１９０１の外表面に断熱材からなる環状部材１９０２が複数嵌められた構造を有する。環状部材１９０２の外周部と内周部に光ファイバが巻回されており，外周部が第一のセンシング部となり，内周部が第二のセンシング部となる。換言すると，本実施例の光ファイバ水位計において，光ファイバは，円柱状断熱材を取り巻く環状断熱材の外周部に設定された第一のセンシング部と当該環状断熱材の内周部に設定された第二のセンシング部にそれぞれ巻回され，複数の環状断熱材が円柱状断熱材の複数の高さ位置に互いに離間して配置されている。本実施例において環状部材を設ける間隔，すなわち第一のセンシング部及び第二のセンシング部を設ける間隔ｄは，例えば目標水位計測精度程度としても良く，ユーザーが任意に決定しても良い。

本実施例の光ファイバ水位計では，水位が２つの環状部材１９０２の間に位置するときには，隣接する２つの環状部材１９０２の間に水位があることは分かるもののその正確な位置を知ることはできない。従って，本実施例の光ファイバ水位計の水位測定精度は環状部材１９０２の間隔ｄに依存することになるが，精密な測定精度が要求されないような場面では十分な実用性を有する。

本実施例においても，光ファイバ内にパルス光を入射し，その光ファイバの各位置から後方散乱されたラマン散乱光のうちストークス光とアンチストークス光の強度比に基づいて，各位置における温度を計測する。空中部と水中部に温度差がある場合は，外周部に巻かれた光ファイバ１２０ａにより空中部と水中部の境界位置を認識して水位を計測する。一方，空中部と水中部の温度差が所定値未満の場合は，外周部に巻かれた光ファイバ１２０ａと内周部に巻かれた光ファイバ１２０ｂによって第一のセンシング部と第二のセンシング部の温度分布を計測することで，実施例１と同様に所定周期に対する温度分布変化や，実施例２と同様に時間に対する温度分布変化量を計測する。その結果，実施例１〜５と同様に，水位を正確に計測できるようになる。本実施例では，第一のセンシングと第二のセンシング部を任意の箇所のみに設けるため，断熱材を節約することができ，光ファイバ水位計のコストも抑制できる。

なお，本発明は上記した実施例に限定されるものではなく，様々な変形例が含まれる。例えば，上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり，必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また，ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり，また，ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また，各実施例の構成の一部について，他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１１０ 温度分布計測装置
１１１ 光源
１１４ 光分岐部
１１５ 波長分離フィルタ
１１６ 受信器
１１７ 周波数成分強度比演算回路
１１８ 温度演算回路
１１９ 光帰還時間演算回路
１２０ 光ファイバ
１３０ 光ファイバ水位計
１４０ 水位測定部

Claims (17)

1. 光ファイバ中に発生した後方散乱光に基づく温度計測により水位を計測する水位計測装置であって，
   前記光ファイバは，断熱材の外周部に設定された第一のセンシング部と断熱材の内周部に設定された第二のセンシング部にそれぞれ巻回され，
   前記第一のセンシング部の高さ方向の温度分布と前記第二のセンシング部の高さ方向の温度分布を計測する温度分布計測部と，
   前記温度分布計測部で計測した前記第二のセンシング部の高さ方向の温度分布の時間変化から水位を検出する水位測定部と，
   を有することを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
2. 請求項１記載の光ファイバ水位計測装置において，
   前記水位測定部は，前記第二のセンシング部の高さ方向の温度分布を記録する第１のメモリを有し，前記第１のメモリに記録された温度分布の所定周期に対する変化を計測し，当該温度分布の変化の変化点から水位を検出することを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
3. 請求項２記載の光ファイバ水位計測装置において，
   水と空気に対する温度ごとの温度伝導率を記憶した第２のメモリと，
   前記第２のメモリに記憶された温度伝導率を用いて前記第二のセンシング部の周囲の媒質に変化がない場合及び前記周囲の媒質が変化した場合の前記温度分布の前記所定周期に対する変化を算出する微分係数算出器と，
   前記計測された前記温度分布の変化と前記微分係数算出器によって算出された前記温度分布の変化を比較する比較部を有することを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
4. 請求項３記載の光ファイバ水位計測装置において，
   前記温度分布計測部で計測した前記第一のセンシング部の温度は前記第２のメモリに記憶された温度伝導率参照のために用いられることを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
5. 請求項１記載の光ファイバ水位計測装置において，
   前記水位測定部は，前記第二のセンシング部の高さ方向の温度分布を所定周期で記録する第１のメモリを有し，前記第１のメモリに記録された温度分布から導出された高さごとの温度の時間変化を比較することにより水位を検出することを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
6. 請求項５記載の光ファイバ水位計測装置において，
   水と空気の温度ごとの温度伝導率を記憶した第２のメモリと，
   前記第２のメモリに記憶された温度伝導率を用いて前記第二のセンシング部の周囲の媒質に変化がない場合及び前記周囲の媒質が変化した場合の温度の時間変化を算出する温度変化算出部と，
   前記計測に基づく前記高さごとの温度の時間変化と前記温度変化算出部によって算出された前記温度の時間変化を比較する比較部を有することを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
7. 請求項６記載の光ファイバ水位計測装置において，
   前記温度分布計測部で計測した前記第一のセンシング部の温度は前記第２のメモリに記憶された温度伝導率参照のために用いられることを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
8. 請求項１記載の光ファイバ水位計測装置において，
   前記水位測定部は，所定周期に対する温度変化を連続的に計測し，計測結果を更新していくことを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
9. 請求項１記載の光ファイバ水位計測装置において，
   前記断熱材は円筒状であり，前記第一のセンシング部は前記円筒状断熱材の外周部に設定され，前記第二のセンシング部は当該円筒状断熱材の内周部に設定されていることを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
10. 請求項１記載の光ファイバ水位計測装置において，
    前記第一のセンシング部は第一の断熱材の外周部に設定され，前記第二のセンシング部は前記第一の断熱材とは別の第二の断熱材の内周部に設定されていることを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
11. 請求項１記載の光ファイバ水位計測装置において，
    前記断熱材はプラスチック材料からなることを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
12. 請求項１記載の光ファイバ水位計測装置において，
    前記第二のセンシング部は，前記断熱材の内周部の代わりに前記第一のセンシング部と同じ箇所に設定され，前記第二のセンシング部に巻回された光ファイバは断熱材で被覆されていることを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
13. 請求項１記載の光ファイバ水位計測装置において，
    前記第二のセンシング部は前記断熱材の上部領域にのみ設定されていることを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
14. 請求項１記載の光ファイバ水位計測装置において，
    前記光ファイバは，円柱状断熱材を取り巻く環状断熱材の外周部に設定された第一のセンシング部と当該環状断熱材の内周部に設定された第二のセンシング部にそれぞれ巻回され，
    複数の環状断熱材が前記円柱状断熱材の複数の高さ位置に互いに離間して配置されていることを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
15. 光源と，
    光ファイバ水位計と，
    前記光源と前記光ファイバ水位計の光ファイバの間に配置された光分岐部と，
    前記光分岐部によって分岐された前記光ファイバからの後方散乱光を波長分離する波長分離部と，
    前記波長分離された後方散乱光を受信する受信器と，
    前記受信器の受信信号から温度を演算する第１の演算部と，
    前記受信器の受信信号から前記後方散乱光の発生位置を演算する第２の演算部と，
    前記第１の演算部の出力と前記第２の演算部の出力に基づいて水位を測定する水位測定部とを有し，
    前記光ファイバ水位計の光ファイバは，断熱材の外周部に設定された第一のセンシング部と断熱材の内周部に設定された第二のセンシング部にそれぞれ巻回され，
    前記水位測定部は，前記第一のセンシング部の高さ方向の温度分布と前記第二のセンシング部の高さ方向の温度分布を計測する温度分布計測部と，前記温度分布計測部で計測した前記第二のセンシング部の高さ方向の温度分布の時間変化から水位を検出することを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
16. 請求項１５記載の光ファイバ水位計測装置において，
    前記光ファイバ水位計が所定間隔で複数設けられ，前記水位測定部は各光ファイバ水位計による水位を検出することを特徴とする光ファイバ水位計測装置。
17. 請求項１記載の光ファイバ水位計測装置を用いた水位計測方法であって，
    前記第一のセンシング部の高さ方向の温度分布を計測する工程と，
    前記計測した温度分布に装置の温度分解能以上の温度差があるか否かを判定する工程と，
    前記判定で装置の温度分解能以上の温度差があると判定された場合に，前記第一のセンシング部の高さ方向の温度分布に基づいて水位を検出する工程と，
    前記判定で装置の温度分解能以上の温度差がないと判定された場合に，前記第二のセンシング部の高さ方向の温度分布を計測する工程と，
    前記第二のセンシング部の高さ方向の温度分布の時間変化から水位を検出する工程と，
    を有することを特徴とする水位計測方法。

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