JPH0447240A - 温度分布検出装置 - Google Patents

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】 ［発明の目的コ 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光ファイバ内の後方散乱光を利用した温度分
布検出装置に関する。

〔従来の技術〕

かかる装置は、光ファイバに入射したレーザパルスによ
って光ファイバ内に散乱光を励起し、スペクトルまたは
強度、偏光等に散乱を受けた場所の物理的情報（例えば
温度）を含み光ファイバ内を後方すなわちレーザパルス
の発振元のほうへ伝播する後方散乱光を時系列信号とし
て取出すことにより、温度分布等の被測定物理量の１次
元分布を検出するものである。光ファイバにレーザパル
スを入射することによって発生する散乱としては、密度
のゆらぎによるレーリー散乱、伝播性のゆらぎすなわち
熱的フォノンによるプリルアン散乱、分子の振動１回転
によるラマン散乱がある。

特に、ラマン散乱を利用した温度分布測定が注目されて
いる。

ところで、上記した温度分布検出装置は、後方散乱光が
伝播する際に光ファイバによる減衰を受けるため、測定
精度の向上を図るためには、散乱光を励振させる励起光
パルス（レーザパルス）の強度依存性およびその減衰に
よる影響を確実に補償する必要がある。

そこで、従来のラマン散乱光を用いた温度分布検出装置
では、アンチストークスラマン散乱光（以下、「アンチ
ストークス光」と略称する）とストークスラマン散乱光
（以下、「ストークス光」と略称する）の各散乱光信号
間の比をとることによって、励起光パルスの強度による
影響と光ファイバによる減衰の影響を補償していた。こ
こで、アンチストークスラマン散乱とは、励起光パルス
によって光子１個のエネルギーが高い短波長側にシフト
するもので、またストークスラマン散乱とは、逆に低エ
ネルギーの長波長側ヘシフトするものである。

ラマン散乱によるシフトをν（ｍ−’）とすると、アン
チストークス光とストークス光の強度比Ｒは、・・・　
（１） となる。但し、νはラマンシフト数、Ｔは絶対温度、ｈ
はブランク定数、Ｃは光速、λは励起光の波長、Ａは励
起光の強度、λａはアンチストークス光の波長、λＳは
ストークス光の波長、α１．はアンチストークス光に対
する光ファイバの減衰定数、α□、はストークス光に対
する光ファイバの減衰定数である。

上記（１）式において、αよ、２α□、とみなすと、励
起光の強度Ａおよび光ファイバの減衰定数αよ、。

αよ、が除去されて、下式のようになる。

λＳ４ Ｒ÷（２ａ）　”ｘｐ（）ＩＣν／ＫＴ）（２〕 従って、温度による項（ＫＴ）のみが残され、この演算
値を時系列的にみれば温度分布データとなる。

ところが、最近になってアンチストークス光とストーク
ス光に対する光ファイバの減衰の効果が完全には一致い
ていないことが判明してきており、上記したようにα２
．りα８．とみなしたのでは、測定値に誤差が含まれる
ことになる。これは、短波長帯における散乱が（１／λ
）４に比例しており、ラマンシフトによる波長のずれが
アンチストークス光とストークス光では、例えばＧｅｍ
２の場合には１１００ｎ程度もあるためであると考えら
れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従って、従来のラマン散乱光を用いた温度分布検出装置
は、光ファイバによる減衰の影響を除去することができ
ず、光ファイバによる減衰の影響を受けない正確な温度
分布測定を行うことができなかった。

本発明は以上のような実情に鑑みてなされたもので、励
起光パルスの強度による影響および光ファイバの減衰に
よる影響を確実に補償でき、高精度な温度分布データを
検出できる温度分布検出装置を提供することを目的とす
る。

［発明の構成コ 〔課題を解決するための手段〕 本発明は上記課題を解決するために、測定用光ファイバ
の入射端へ光信号を入射し、この光信号が測定用光ファ
イバ内を進行するのに伴って測定用光ファイバ内で発生
する後方散乱光を取出し、この後方散乱光が到達するま
での時間およびその強度から温度分布を測定する温度分
布検出装置において、前記測定用光ファイバが同じ場所
を往復する如く折返されてなる温度分布検出部と、前記
測定用光ファイバの入射端から折返し点までの間で発生
した後方散乱光からなる往路信号と前記測定用光ファイ
バの折返し点から終端までの間で発生した後方散乱光か
らなる復路信号とを抽出する抽出手段と、前記抽出手段
で抽出された往路信号と復路信号とを合成して前記測定
用光ファイノくによる減衰を補償する合成手段とを具備
した構成とした。

また、上記課題を解決するために、さらに前記抽出手段
を、アンチストークスラマン散乱光とストークスラマン
散乱光の各々から前記往路信号および復路信号をそれぞ
れ抽出するように構成し、かつ前記合成手段を、前記各
復路信号を往路側から見た各位置の信号に変換し、この
変換された信号と前記往路信号とを各散乱光毎に乗算し
、アンチストークスラマン散乱光の前記乗算値をストー
クスラマン散乱光の前記乗算値で除算するように構成し
た。

〔作用〕

本発明によれば、同一温度分布情報を持った往路信号と
復路信号がそれぞれ抽出され、この往路信号と復路信号
とが合成されることにより測定用光ファイバによる減衰
か補償されて、測定用光ファイバによる減衰を受けない
高精度な温度分布データを得ることかできものとなる。

また、アンチストークスラマン散乱光とストークスラマ
ン散乱光の各々から前記往路信号および復路信号がそれ
ぞれ抽出され、この抽出された各復路信号が往路側から
見た各位置の信号に変換される。そして、この変換され
た信号と前記往路信号とが各散乱光毎に乗算されて、＃
ｊ定用光ファイバによる減衰の影響が除去され、さらに
アンチスト−クズラマン散乱光の乗算値がストークスラ
マン散乱光の乗算値で除算されて、光信号の強度による
影響が除去される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の実施例となる温度分布検出装置の構成
を示す図である。この装置は、半導体レーザ等からなる
レーザ光源１から発生された励起光パルスが方向性結合
器２に供給される。この方向性結合器２は、レーザ光源
１からの励起光パルスを測定用光ファイバ３へ導くと共
に、測定用光ファイバ３からの後方散乱光を分離してい
る。この方向性結合器２で分離された後方散乱光は分周
器４に入力される。この分周器４は後方散乱光の中から
アンチストークス光とストークス光を分離出力する。分
周器４で分離されたアンチストークス光はディテクタ５
へ導かれ、ストークス光はディテクタ６へ導かれる。各
ディテクタ５．６はアバランシェフォトダイオード等か
ら構成され、各散乱光を光電変換して電気信号に変換す
る。各ディテクタ５，６には、それぞれ増幅器７，８が
接続されていて、各増幅器７，８で増幅された信号はそ
れぞれ高速Ａ／Ｄ変換器９．１０を介して演算制御部１
１へ入力される。この演算制御部１１は、入力信号を後
述する往路信号と復路信号とに分割する機能と、この往
路信号と復路信号とを合成して温度分布を検出する合成
演算処理機能とを有する。さらに演算制御部１１は、パ
ルス発生部１２にトリガ信号を送信してレーザ光源１の
駆動部１３を駆動制御し、各Ａ／Ｄ変換器９．１０の動
作を制御し、そして表示機１４に演算結果を表示させる
如く動作する。

ここで、上記測定用光ファイバ３は、２本の光ファイｔ
＜３ａ、３ｂが互いに同一温度条件となるように近接し
て配置され、これが遮光膜１５にて被覆されている。し
かも、一方の光ファイバ３ａの一端は方向性結合器２に
接続されて励起光パルスの入射端となる。この光ファイ
バ３ａの対向端部は、他方の光ファイバ３ｂの端部であ
って前記対向端部と同一場所に位置する端部と接続部１
６にて接続されている。この接続部１６には、この位置
で発生する散乱光に所定の信号が含まれるように損失が
与えられている。

この測定用光ファイバ３上の複数箇所には、測定抵抗体
、熱電対等の温度センサ１７が設置されていて、これら
温度センサ１７の出力は信号変換部１８を介して演算制
御部１１へ送信される。

次に、本実施例の温度分布測定原理について第２図およ
び第３図を参照して説明する。なお、第２図は測定用光
ファイバ３を模式的に示す図であり、図中斜線部分は周
囲よりも高温となっている部分を示している。点Ｐは第
１図における接続部１６に当たり、第１図に示す２本の
光ファイバ３ａ、３ｂは測定用光ファイバ３を点Ｐで折
り返した一本のファイバとみなすことができる。

この測定用光ファイバにパルス幅が１０〜１００ｎｓｅ
ｃ以下の励起光パルスを入射すると、励起光パルスが点
Ｐを通り終点Ｑに至るまでに散乱光が発生され続ける。

この時、この散乱光を電気信号に変換すると、第３図に
実線で示す信号となる。この信号は、折返し点Ｐまでの
後方散乱光を電気信号に変換した往路信号Ｓａ１と、折
返し点Ｐから終点Ｑまでの後方散乱光を電気信号に変換
した復路信号Ｓａ２とからなる。往路信号Ｓａ、と復路
信号Ｓａ２の、それぞれ突出している部分が高温領域（
斜線部分）からの散乱光に相当する部分である。第３図
に示されるように、往路信号Ｓａ、と復路信号Ｓａ２と
では、温度分布の座標が時間の進行に対して逆方向であ
る。時間の進行に対して逆ということは、減衰方向か逆
であるということかできる。ここで、説明を簡単にする
ために、復路信号Ｓａ２を折返し点Ｐを中心に図中破線
で示すように折返し、この信号を復路変換信号Ｓａ２　
とする。往路信号Ｓａ、と復路変換信号Ｓａ２　との温
度分布を一致させると減衰方向が逆になることがわかる
。

一方、位置ｇからのラマン散乱光信号（ラマン散乱光を
光電変換した信号）は、アンチストークス光によるもの
が Ｓ　ａ　ｍＡ　Ｋａ　Ｔａ（ｔ、ｊ）　　ｅ−１１−ｅ
−’°’−（３）で与えられ、ストークス光によるもの
が、Ｓ　ｓ　ｍＡ　Ｋｓ　Ｔｓ（ｔ、ｊ）　　ｅ−”　
　−ｅ−”’−（４）で与えられる。ただし、Ｋａ、Ｋ
ｓは光ファイバの構造および特性９分周器の特性、ディ
テクタの特性で決まる比例定数である。Ｔａ（ｔ、ｇ）
。

Ｔｓ　（ｔ、　ｊりはラマン散乱光係数であり位置ｇと
温度ｔの関数である。また、ｅ−′は位置ｇまでの間に
励起光パルスが受ける減衰の項でありａが減衰定数であ
る。ｅ　ｍ　ｍ　ｌ　、　　ｅ−“１は位置ｇからの後
方散乱光が受ける減衰の項でありαａ、αＳが減衰定数
である。

（３）式より、往路信号Ｓａ、は、 Ｓ　ａ　、　−Ａ　Ｋａ　Ｔａ（ｔ、ｊ）　　ｅ　−”
　　　−”’−（４）＋Ｉ　　ｅ と表され、復路変換信号Ｓａ２　　は、Ｓａ２ ｍＡ　Ｋａ　Ｔａ（ｔ、ｊ）　　ｅ　ａＩ＠　ｅ　”’
　＊　ｅ−”Ｌ＊　ｅ−２−ＩＬＬ・・・（５） と表される。ｅ−２″Ｌｅ−２１″Ｌは光ファイバの長
さから決まる定数なので、比例定数Ｋａの中に含ませて
Ｋａ’とおくと、 Ｓ　ａ２ｍＡ　Ｋａ”　　Ｔａ（ｔ、Ｊ）　　ｅｇｊ＊
　ｅ”’・・・（６） となる。（４）式、（６）式より、往路信号Ｓ８１と復
路変換信号Ｓａ２　との積をとると、その信号Ｓａは、 ５ａ−Ｓａ、Ｘ５ａ２ ｍＡ２　ｍＫａ−Ｋａ”　＊Ｔａ２．（ｔ、ｆ））・・
・　（７） となり、光ファイバの減衰の影響が消去される。

ストークス光についても同様の演算を行うと、５ｓ−５
ｓ、Ｘ５ｓｚ ｗ　Ａ　２ Ｋｓ” （１゜ Ω となる。

（７）式、（８）式より、２つの信号ＳａとＳｓの比を
とり、その平方根を計算すると、となり、励起光パルス
の強度Ａの影響も補償される。また、残った項Ｋａ、Ｋ
ｓ、ｅ’°Ｌ　、　　ｅ　ｇ　＊　Ｌはいずれも光ファ
イバの構造、特性、長さ、分周器の特性、ディテクタの
特性により決まるので、測定系が定まれば定数として扱
うことができる。

以上のような復路信号と往路信号との合成演算処理が演
算制御部１１で実行される。

以下、本実施例の動作について説明する。

演算制御部１１からパルス発生部１２ヘトリガ信号か送
信され、これによってパルス発生部１２から出力された
パルス信号によって駆動部１３が駆動される。その結果
、レーザ光源１がＩＫ〜１０ＫＨｚの周期で１０３〜１
０５回程度発光し、その都度発生した励起光パルスが方
向性結合器２を介して測定用光ファイバ３へ入射される
。全ての励起光パルスによる後方散乱光は再び方向性結
合器２を介して取出され、分周器４へ入力される。

ここて、アンチストークス光とストークス光とに分離さ
れ、さらにディテクタ５．６で電気信号に変換される。

そして、増幅器７，８でそれぞれ増幅された信号が、演
算制御部１１から与えられる適当なデイレイを持つサン
プリング制御信号によって動作しているＡ／Ｄ変換器９
，１０で高速Ａ／Ｄ変換されてデジタル信号に変換され
た後、演算制御部１１に入力され一旦記憶される。

演算制御部１１では、各励起光パルスに対応した入力信
号毎に上述した合成演算処理を実行する。

そのため、先ず、入力信号を往路信号Ｓａ、と復路信号
Ｓａ２とに分割する。このとき、折返し点Ｐを検出する
ために、折返し点Ｐとなる接続部１６に適当な損失が与
えられているので、その損失位置を入力信号から読取っ
ている。あるいは、光ファイバの終端のフレネル反射か
らの１／２の距離として折返し点Ｐを検出するようにし
てもよい。また、測定用光ファイバ３上の複数点の温度
情報が温度センサ１７より演算制御部１１へ送られ、さ
らに測定用光ファイバ３２分周器４．ディテクタ７．８
等の測定系によって決まる定数が入力される。演算制御
部１１は、温度センサ１７からの温度情報に基づいて、
合成演算時の定数が設定され、かつＫａ、Ｋｓ、Ｌ等の
（９）式の定数が補正される。

次に、上述した合成演算処理を各入力信号ごとに実行し
、全ての入力信号に対する演算結果を平均処理する。こ
の合成演算処理は次の励起光パルスが発生するのでの間
または所定期間経過毎に実行される。

以上のようにして、測定用光ファイバ３の減衰の影響お
よび励起光パルスの強度の影響が除去された温度分布デ
ータが得られる。この様にして求められた温度分布デー
タは表示機１４に表示される。

この様に本実施例によれば、同一温度分布中におかれた
２本の光ファイバ３ａ、３ｂの一端部を接続部１６にて
接続し、この測定用光ファイバ３からの後方散乱光から
往路信号Ｓａ、および復路信号Ｓａ２を分離して、この
往路信号Ｓａ、および復路信号Ｓａ２を用いて上述した
合成演算処理を実行するようにしたので、測定用光ファ
イバ３の減衰の影響および励起光パルスの強度の影響が
除去された温度分布データを得ることができ、測定精度
を大幅に向上させることができ、正確な温度分布を検出
することができる。

また、励起光パルスに対応して１０３〜１０’個程度得
られた温度分布データを平均処理して、その平均値を求
めているので、雑音を十分に低減でき、データの信頼性
を向上させることができる。

さらに、測定用光ファイバ３上の複数箇所で温度測定し
、 の変動を求めてこれを補正するようにしているので、さ
らに高精度な測定値を得ることができる。

［発明の効果コ 以上詳記したように本発明によれば、励起光パルスの強
度による影響および光ファイバの減衰による影響を確実
に補償でき、高精度な温度分布データを検出できる温度
分布検出装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例となる温度分布検出装置の構成
図、第２図は測定用光ファイバの形状を模式的に示す図
、第３図は後方散乱光を光電変換した信号の波形図であ
る。 １・・・レーザ光源、２・・・方向性結合器、３・・・
測定用光ファイバ、４・・・分周器、５，６・・・ディ
テクタ、１１・・・演算制御部。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定用光ファイバの入射端へ光信号を入射し、こ
   の光信号が測定用光ファイバ内を進行するのに伴って測
   定用光ファイバ内で発生する後方散乱光を取出し、この
   後方散乱光が到達するまでの時間およびその強度から温
   度分布を測定する温度分布検出装置において、 前記測定用光ファイバが同じ場所を往復する如く折返さ
   れてなる温度分布検出部と、 前記測定用光ファイバの入射端から折返し点までの間で
   発生した後方散乱光からなる往路信号と前記測定用光フ
   ァイバの折返し点から終端までの間で発生した後方散乱
   光からなる復路信号とを抽出する抽出手段と、 前記抽出手段で抽出された往路信号と復路信号とを合成
   して前記測定用光ファイバによる減衰を補償する合成手
   段とを具備してなることを特徴とする温度分布検出装置
   。
2. （２）前記抽出手段は、アンチストークスラマン散乱光
   とストークスラマン散乱光の各々から前記往路信号およ
   び復路信号をそれぞれ抽出し、 前記合成手段は、前記各復路信号を往路側から見た各位
   置の信号に変換し、この変換された信号と前記往路信号
   とを各散乱光毎に乗算し、アンチストークスラマン散乱
   光の前記乗算値をストークスラマン散乱光の前記乗算値
   で除算することを特徴とする請求項１記載の温度分布検
   出装置。