JPH03135743A

JPH03135743A - 分布型光ファイバセンサ

Info

Publication number: JPH03135743A
Application number: JP1271850A
Authority: JP
Inventors: Yukio Sai; 行雄佐井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-10-20
Filing date: 1989-10-20
Publication date: 1991-06-10
Anticipated expiration: 2011-03-06
Also published as: JPH0823513B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、光フアイバ内を導波する光パルスによる後
方散乱光を検出してファイバ周囲の物理量分布を求める
分布型光フアイバセンサに関する。

（従来の技術）プラントなどにおける反応炉、配管などの長尺構造物や
トンネル、海底などの広域物理量分布、主には温度分布
を測定する場合、従来は点センサを被測定対象の各位置
に配置して測定するようにしている。

しかしながら、このような点センサの集合では、データ
伝送の面、信号処理時間の問題、および経済性などの理
由から数十から数百のセンサによる荒い分布計測しか実
現できない問題点があった。

そこで、広域計測のためには、本質的に分布計側が可能
な装置として、例えば画像計測も利用されるようになっ
ているが、分布型光フアイバセンサも本質的に一次元の
分布計測ができる分布型センサである。

この分布型光フアイバセンサの原理は、第３図に示すよ
うにレーザー光源１から単発パルス２を測定用光ファイ
バ３に入射し、測定用光フアイバ３内の各部からの後方
散乱光４ａ、４ｂ、・・・を検出して、この後方散乱光
の長さ方向の分布を時系列信号５に変換して求める。そ
うすれば、この後方散乱光の強度が被測定物理量に依存
しているため、散乱光分布により被測定物理量の一次元
分布が測定できる。

ところが、後方散乱光は検出器に至るまでに１１Ｐｌ定
用フアイバ３内を減衰しながら伝播するために、受信さ
れる信号強度は散乱を受けた位置と測定用光ファイバ３
の減衰率との積の形になり、第３図の時系列信号５のよ
うになる。このため、測定用光ファイバ３の損失の影響
を補償するために、従来は、あらかじめ光ファイバの減
衰特性６を測定しておき、測定結果５から減衰特性６を
引き去ることにより被測定物理量分布７を求めていた。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、このような従来の分布型光フアイバセン
サでは、光ファイバの伝送損失が光フアイバケーブルの
敷設状況の影響を受けるために減衰特性が一定ではなく
、付設現場ごとに減衰特性を求めなければ正しい測定が
実現できない問題点があり、また被測定物理量の影響を
受けない状況で減衰特性を測定する必要があるが、この
ような条件は実現することが困難であり、結果として減
衰特性の補償精度を向上させることができない問題点が
あった。

この発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされた
もので、光ファイバの伝送損失の影響と後方散乱光強度
を分離測定することのできる補償手段を備え、後方散乱
光分布を正確に測定することのできる分布型光フアイバ
センサを提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）この発明の分布型光フアイバセンサは、光パルスを発生
する光源と、異なった長さの複数の光ファイバと、前記
光源からの光パルスを前記異なった長さの各々の光ファ
イバに結合させるための光スィッチと、物理量を測定す
るために、前記異なった長さの複数の光ファイバに接続
された測定用光ファイバと、この測定用光ファイバの後
方散乱光を検出器に導くための方向性結合器と、後方散
乱光を電気信号に変換して増幅する検出器と、この検出
器の出力に対して前記複数の光ファイバを通ることによ
り光パルスに生じるあらかじめ決定されている光ファイ
バの伝送損失を基にした補正演算を行い、前記測定用光
ファイバの長さ方向各部の被測定物理量分布を求める信
号処理装置とを備えたものである。

（作用）この発明の分布型光フアイバセンサでは、光ケーブルに
対して長さの異なる複数の光ファイバを介して光パルス
を入射させ、それぞれの経路における光パルスに対する
後方散乱光分布を得る。

一方、あらかじめ２つの経路それぞれにおける後方散乱
光分布を表わす一般式に対して光ファイバの減衰項をキ
ャンセルする処理を施し、散乱係数を表わす式にまとめ
ておく。

そして、前記２つの経路それぞれで得られる後方散乱光
分布の測定結果を前記散乱係数を表わす式に代入するこ
とにより散乱係数を得、これから光ケーブルの長さ方向
各部の最終的な被測定物理量分布を求めることができる
。

（実施例）以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説する。

第１図はこの発明の一実施例の回路構成を示しており、
光パルスを出力するレーザー光源１１と、この光源１１
からの光パルスを切り替え出力する光スィッチ１２と、
光スィッチ１２により光パルスに切り替えられて結合さ
れる長さの異なった２本の光ファイバ１３ａ、１３ｂと
、これらの先ファイバ１３ａ、１３ｂそれぞれからの光
を光ケープル側に出力し、光ケーブル側からの後方散乱
光を別系統に分離する方向性結合器１４ａ、１４ｂと、
これらの方向性結合器１４ａ、１４ｂそれぞれからの光
パルスを光ケーブルに伝達する光ファイバ１５ａ、１５
ｂと、これらの光ファイバ１５ａ、１５ｂそれぞれによ
り伝達される光パルスが入射される測定用光フアイバケ
ーブル１６とを備えている。

前記光ファイバ１３ａ、１３ｂは長さが異なるだけであ
り、その他の仕様はまったく同一のものである。また、
測定用光フアイバケーブル１６は物理量分布を測定する
場所に設置されるものである。

この実施例の分布型光フアイバセンサは、さらに測定用
光フアイバケーブル１６から得られる後方散乱光を光フ
ァイバ１５ａ、１５ｂと方向性結合器１４ａ、１４ｂを
介して取り出す光ファイバ１７ａ、１７ｂと、この光フ
ァイバ１７ａ、１７ｂにより取り出された後方散乱光を
通過させる方向性結合器１８と、後方散乱光を電気信号
に変換する検出器１９と、電気信号の増幅器２０と、ア
ナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器２１
と、ディジタル信号処理を行って測定用光フアイバケー
ブル１６の長さ方向の被ｎ１定物理量の分布状態を算出
する信号処理記憶装置２２と、この信号処理記憶装置２
２による信号処理結果を出力するデイスプレィ２３とを
備えている。

前記方向性結合器１４ａ、１４ｂ、光ファイバ１５ａ、
１５ｂ、および光ファイバ１７ａ、１７ｂは、ここを通
る光信号の損失が同一となるようにするために、全くの
同一長さおよび同一仕様のものが使用される。

次に、上記の構成の分布型光フアイバセンサの動作につ
いて説明する。

光源１から発せられた光パルスは、光スィッチ１２とこ
の光スィッチ１２により選択されたいずれかの光ファイ
バ１３ａ、１３ｂｓ方向性結合器ｌ　４　ａ　＋　　１
４　ｂ　ｓ光ファイバ１５ａ、１５ｂを介して測定用光
フアイバケーブル１６に導かれる。

ｎ１定用光フアイバケーブル１６の内部では、測定用光
フアイバケーブル１６の設置されている現場においてそ
の軸方向各部にかかる外力の大小や温度の高低に応じて
強度の異なる後方散乱光が発生する。

この後方散乱光は、前記と同様に光スィッチ１２によっ
て選択されているいずれかの光ファイバ１５ａ、１５ｂ
ｓ方向性結合器１４ａ、１４ｂ。

光ファイバ１７ａ、１７ｂおよび方向性結合器１８を介
して検出器１９に入力され、ここで電気信号に変換され
る。

そして、この電気信号が増幅器２０で増幅され、ＡＤ変
換器２１でディジタル化され、信号処理記憶装置２２に
入力されて信号処理され、処理結果がデイスプレィ２３
により表示される。

ここで、２つの異なった長さの経路を通して光パルスを
測定用光フアイバケーブル１６に導くために光スィッチ
１２が光パルスを光ファイバ１３ａ、１３ｂのいずれに
結合させるかを選択して切り替えるが、この光スィッチ
１２の切り替えは信号処理記憶装置２２により制御され
る。

そして、光スィッチ１２を切り替えることにより測定用
光フアイバケーブル１６における位Ｗ　ｘにおける後方
散乱光の強度が異なった伝送損失で測定できる。そこで
、光ファイバ１３ａ、１３ｂの単位長さ当りの伝送損失
が等しいとすれば（光ファイバ１３ａ、１３ｂはまった
く同一仕様のもので、長さだけが異なるものが使用され
ているので、このように仮定することができる）、あら
かじめ長さが判明している光ファイバ１３ｂによる過剰
損失は一定であり、光ファイバ１３ａ、１３５両者の信
号の演算から散乱係数を求めることができる。

つまり、光パルス反射法の場合の検出器１つの出力ｐ　
（ｔ）は、次のようになることが知られている。

ｐ　　（ｔ）　　− に−５・　α　、　　（Ｘ）　・　Ｐｏ　・　Ｗ×　ｅ
ｘｐ（−α　’ｚ　　ｔ）　　・・・　（１）ここで、ｔ　：時間Ｓ　：散乱光のうちの後方散乱光として測定用光ファイ
バは−プル１６内を伝送する割合Ｐｏ　：光パルスピークパワーＷ　：光パルス幅 α　：測定用光フアイバケーブル１６の伝送損失Ｖ、ニア１ＦＩ定用光フアイバケーブル１６内の光の群
速度Ｋ　：比例定数であり、α、（Ｘ）は位置Ｘにおける散乱光となる割合
を示し、その値が被測定物理量に依存している。

そこで、今、後方散乱光の割合Ｓは測定用光フアイバケ
ーブル１６内で一定であり、光パルスピークパワーＰ。

、光パルス幅Ｗは十分に再現性が良く、一定であると考
えることができるので、Ｋ・ｓ−ｐ、ΦＷは改めて、Ｋ−に拳ｓ−ｐ、　　・Ｗと置くことができ、上記の（１）式は、ｐ　　（ｔ）　
　− Ｋ　　・　α５（ｘ）　　　　ｅｘｐ（−ａｖ、ｔ）・
＝（２）となる。

次に、この式（２）に対して、光スィッチ１２を長さの
短い方の光ファイバ１３ａに接続した場合の検出信号は
、であり、次に光スィッチ２を長さが長い方の光ファイバ
１３ｂに接続した場合の検出信号は、その長さをＬとす
ると、Ｖ。

の関係があるので、Ｐｚ（ｔ）− なおここで、・・・　（４）が得られる。

ここで、（３）、（４）式それぞれの対数をとれば、ｌｎＰ、（ｔ）− ＩｎＫ　＋　Ｉｎａ　ｍ　　（ｘ　）　　−ａ　　ｖ　
、　　ｔとなる。

さらに、上記の両式からｖ、ｔの項を消去して１ｎα、
（Ｘ）について整理すれば、１ｎα　、　　（Ｘ）１゜１の関係がある。また、ｔｌは長さしが決定されれば定ま
る。

以上の考察から、散乱係数α、（Ｘ）の値が光ファイバ
の損失αの値に影響されずに算出できることが示された
。すなわち、伝送損失αそのものの値は周囲の種々の条
件により変化するが、それにもかかわらず散乱係数α、
（Ｘ）の測定が可能となり、散乱係数αに影響を与える
被測定物理量の分布測定が安定に行なえるのである。

なお、この発明の上記の実施例に限定されず、例えば第
２図に示すように方向性結合器１４ａ。

１４ｂと測定用光フアイバケーブル１６との間に方向性
結合器２４を備えれば、共通の１本の光ファイバ２５に
より測定用光フアイバケーブル１６内の後方散乱光の測
定ができ、２本の光ファイバとなる。

１５ａ、１５ｂに代えて１本の光ファイバ２５により光
源１１側と現場に設置される測定用光フアイバケーブル
１６との間の長い距離を接続することができ、経済性を
向上させることができると共に、この部分での散乱係数
α、のばらつきの問題もなくすことができる。

［発明の効果］以上のようにこの発明によれば、あらかじめ長さの異な
る２つの光ファイバに対す−る後方散乱光分布の式に対
して光ファイバの損失をキャンセルする操作により１つ
の式に結び付け、散乱係数についてまとめる処理をする
ことにより得られる散乱係数表示式を得ておき、実際の
測定に当っては長さの異なる２つの光ファイバそれぞれ
を通して測定用光フアイバケーブルに入射させた光パル
スに対して得られる後方散乱光分布を前記散乱係数表示
式の該当する項に代入し、散乱係数を得るようにしてい
るため、従来のようにあらかじめ決定されている固定的
な減衰特性に基づいて補正し、正規の後方散乱光分布を
求めるのに比べて、光ファイバの長さの違いによる伝送
損失の変動の影響を受けることがなく、常に正確に物理
量測定ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の回路ブロック図、第２図
はこの発明の他の実施例のブロック図、第３図は一般的
な分布型光フアイバセンサの概略構成を示す説明図であ
る。１１・・・光パルス光源　　１２・・・光スイッチ１３
ａ、１３ｂ・・・光ファイバ１４ａ、１４ｂ・・・方向性結合器１５ａ、１５ｂ・・・光ファイバ１６・・・測定用光フアイバケーブル１７ａ、１７ｂ・・・光ファイバ１８・・・方向性結合器　　１９・・・検出器２０・・
・増幅器　　　　　２１・・・ＡＤ変換器２２・・・信
号処理記憶装置

Claims

【特許請求の範囲】光パルスを発生する光源と、異なった長さの複数の光ファイバと、前記光源からの光パルスを前記異なった長さの各々の光
ファイバに結合させるための光スイッチと、物理量を測定するために、前記異なった長さの複数の光
ファイバに接続された測定用光ファイバと、この測定用光ファイバの後方散乱光を検出器に導くため
の方向性結合器と、後方散乱光を電気信号に変換して増幅する検出器と、この検出器の出力に対して前記複数の光ファイバを通る
ことにより光パルスに生じるあらかじめ決定されている
光ファイバの伝送損失を基にした補正演算を行い、前記
測定用光ファイバの長さ方向各部の被測定物理量分布を
求める信号処理装置とを備えて成る分布型光ファイバセ
ンサ。