JPH0450624A - 信号処理方法及び分布型光ファイバーセンサー - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、０ＴＤＲ法を利用した分布型光フアイバー温
度センサー等の分布型光ファイバーセンサーに特に好適
に用いられる信号処理方法及び分布型光ファイバーセン
サーに関するものである。

［従来の技術］ 分布型光ファイバーセンサーとして温度センサーを例に
とり、以下説明する。

従来の分布型光フアイバー温度センサーのブロック図を
第８図に示す。光源部のレーザーパルサー２０から発振
したレーザーパルスは、被測定用の光ファイバー２２へ
入射され、光フアイバー２２中で発生したラマン散乱光
が入射端、へ戻ってくる。該ラマン散乱光は光方向性結
合器２１により測定装置へ導光され、まずフィルター２
３によりラマン散乱光中のストークス光と反ストークス
光が分離検出され、各々光電変換部２４、２４°でその
強度に比例した電気信号に変換される。該電気信号は各
々プリアンプ２５．２５°により増幅され、アベレージ
ヤ−２６にて所定回数平均化処理がなされる。平均化処
理された信号は信号処理部２７へ伝送され、ストークス
光と反ストークスの信号の比をとり、温度分布への換算
等の処理がなされる。

このような分布型光フアイバー温度センサーにおいて、
より細かな区間の温度変化を捕える性能指標として、距
離分解能がある。ステップ状の温度分布を光ファイバー
に与えると、８力は温度変化点を中心に前後に遷移領域
を有するものとなる。この遷移領域の長さ（正確には温
度変化の１０％から９０％までの長さ）を距離分解能と
呼ぶ。この距離分解能はレーザーパルス巾に比例すると
いわれており、この向上にはレーザーパルス巾の狭小化
が必要であった。例えば１ｆｆｌの距離分解能を得るに
は、１０　Ｎ５ＥＣ以下のパルス巾が必要である。又、
検圧回路の応答時間も上記に比して充分短い必要がある
。

［発明の解決しようとする課題］ レーザーパルス巾の狭小化には、より高速なスイッチン
グ素子が必要となる。レーザーのピーク駆動電流は通常
数十Ａと大きく、この様な大電流の高速スイッチング素
子は非常に少ない。又、高度な回路技術が必要となり、
コストアップの要因となっていた。

又、レーザーパルス巾の狭小化に比例して実効的な入射
パワーが低下し、Ｓ／Ｎが劣化する。

その結果温度分解能が悪くなるという問題を有していた
。

［課題を解決するための手段］ 本発明は前述の問題点を解決すべ（なされたものであり
、光源部より発振したレーザーパルスを被測定光ファイ
バーへ入射し、該被測定光ファイバーからの戻り光を検
出して該被測定光ファイバー及びその周辺の物理量変化
を距離に関して測定するための信号処理方法において、
該レーザーパルスによって生じる該戻り光が信号処理装
置へ到達するまでに受けるパルス歪みを劣化特性信号系
列としてあらかじめ該信号処理装置内に記憶しておき、
観測された物理量分布信号系列において信号処理すべき
領域と該領域内において近似すべき曲線とそれらを結合
して得られるプロファイルを選択指定し、その指定領域
内における曲線の交点座標の初期値を推定選択し、該初
期値とその近傍の複数の交点座標について、該劣化特性
信号系列と前記曲線とのコンボリューションと、観測物
理量分布信号系列との非線形最小二乗法による評価値を
算出し、該評価値を最小にする交点座標を最良近似解と
して選択し、物理量変化部の最適分布を求めることを特
徴とする信号処理方法、及び、光源部より発振したレー
ザーパルスを被測定光ファイバーへ入射し、該被測定光
ファイバーからの戻り光を検８して該被測定光ファイバ
ー及び、その周辺の物理量変化を距離に関して測定する
ための信号処理方法において、該レーザーパルスによっ
て生じる該戻り光が信号処理装置へ到達するまでに受け
るパルス歪みを、既知の物理量分布信号系列の２変換Ｔ
’（ｚ）と観測された温度分布信号系列の２変換Ｒ’（
ｚ）より算出される伝達特性Ｈ’　（ｚ）：Ｒ’　（ｚ
）／Ｔ’　（ｚ）を逆２変換して得られる劣化特性信号
系列ｈ（ｐ）として序め該信号処理装置内に記憶してお
き、観測された物理量分布信号系列において信号処理す
べき領域（ｉｌ−β２）と該領域（ｉ１〜ｉ２）内にお
いて近似すべきｍ本のｎ次曲線を結合して得られるプロ
ファイル（ｍ、ｎ）を選択指定し、その指定領域内にお
けるｍ本のｎ次曲線のｍ＋１個の交点座標の初期値を推
定選択し、該初期値とその近傍のｋ　＝　３　”個の交
点座標について、該劣化特性信号系列ｈ　（ｐ）と前証
ｎ次曲線信号系列七゛（ｐ）とのコンボリューションと
、観測物理量分布信号系列ｒ”　（ｐ）との非線形最小
二乗法による評価値を （β１はレーザーパルス波形の始点、β２はレーザーパ
ルス波形の終点） により算比し、該評価値を最小にする交点座標を最良近
似解として選択し、物理量変化部の最適分布を求めるこ
とを特徴とする信号処理方法、及び前述の信号処理方法
を用いた分布型光ファイバーセンサーを提供するもので
ある。

［作用］ 圧力に遷移領域が生じる現象を第７図に沿って説明する
。簡単の為、この第７図のモデルではファイバーの損失
による減衰や、温度への換算する過程は省かれている。

パルスが理想インパルスでない為、パルスの前縁が温度
変化点を通過してから、後縁が通過するまでの時間Ｔが
必ず存在する。この７時間内に温度変化に伴なう信号の
変化が起こるはずであり、これが遷移領域に相当してい
る。１時間はパルス巾であるから、距離分解能はパルス
巾に比例する。これをより厳密に見ると、観測温度分布
１１は真の温度分布８とレーザーパルス波形９．ｌＯの
コンボリューションとなっている。従って予めレーザー
パルス波形を知っておけば、観測温度分布を復元して真
の温度分布に近づくことができる。

［実施例］ 本発明の信号処理は、ラマン散乱検出信号に適用後温度
信号に変換してもよいし、温度信号に変換後に適用して
もよい。

ここでは説明を簡単にするために、温度信号変換後の信
号処理として説明する。

観測される温度分布信号系列をｒ（ｎ）、求めたい真の
温度分布信号系列をｔ（ｎ）、それらの２変換をＲ（ｚ
）、Ｔ（ｚ）、レーザーパルス波形が主要因であるそれ
らの伝達特性を旧Ｚ）とする。

ノイズが無い場合、真の温度分布信号系列はＴ　（ｚ）
　：Ｒ（ｚ）　／Ｈ（ｚ）を逆２変換して求めることが
できるが、ノイズがある場合実際の信号と異なる不安定
な信号系列しか得られない。

そこで、本発明では以下に述べる２段階の信号処理を行
っている。

まず、既知の温度分布信号系列のＺ変換Ｔ’（ｚ）、そ
の時観測された温度分布信号系列のＺ変換Ｒ’（ｚ）よ
り、伝達特性Ｈ’　（ｚ）Ｊ（ｚ）　’／Ｔ’　（Ｚ）
を算圧し、その逆２変換として得られる劣化特性信号系
列ｈ（ｐ）をメモリーに保持しておく。精度上問題がな
ければ、レーザーパルス波形をそのままｈ（ｐ）として
もよい。

既知の温度分布信号系列は、恒温槽を使用した場合は設
定温度とすればよいし、熱電対等による測定値を使用し
てもよい。また、上記で使用する観測信号系列は劣化特
性信号系列推定の精度向上のため時間平均値を使用した
方がよい。

この操作により得られた劣化特性信号系列ｈ（ｐ）３を
第２図に、既知の温度分布ｔ’ｆｐ）４と観測温度分布
ｒ“（ｐ）５を第３図に示す。

第２段階は、温度分布を知りたい領域と温度プロファイ
ル条件を指定すると、第１段階で求めた劣化特性を用い
て指定領域内で温度プロファイルを満足する信号系列の
集合の中より最良近似となる真の温度億号系列の推定解
を、非線形最小二乗法により求めるものである。

領域の指定については、任意の範囲を人間が指定しても
よいし、予め設定した基準によって自動領域分割しても
よい。又、入射端から一定の基準で順番に処理していっ
ても良い。

ここで指定する温度プロファイル条件とは、第４図に示
すように、領域内を序め記憶されているｎ次曲線をｍ本
つないだ分布として表現することを意味する。ｍの許容
最大値はサンプル点数−１であり、大きい方が多（の温
度パターンを表現できる反面、ノイズ成分が求める信号
成分に入り込んでしまう。また、ｎはｍが小さい場合に
重要であり、ｎが大きいほど滑らかに信号を表現できる
反面、処理時間がかかりすぎてしまう。実際には求めた
い情報、設置状況、処理時間を勘案してｎ、ｍを決めて
いる。

さらに、ここで言う最良近似の評価基準としては、観測
温度分布系列をｒ”（ｐ）　、求める温度分布系列をｔ
”（ｐ）、パルス波形信号系列を（ｈ（ｐ）、ｐ＝Ｑ＋
〜Ｉ２２）、指定する領域範囲を１１〜１２とすると、 を採用している。すなわち、観測空間上で、求める温度
分布信号系列とパルス波形信号系列のコンボリューショ
ンと観測信号系列が最小二乗の意味で最良近似となるよ
うにしている。

実際の演算手順としてはｎ次曲Ｉｉｍ本の（ｍ＋１）個
の交点座Ｆ（ｘ座標は距離、ｙ座禅は温度を示す）を求
めればよく、最初に適当な（ｍ＋１）個の交点座標の初
期値を与え、上式の評価基準を比較しながら、最小値と
なる交点座標を反復法により収束させている。

今まで述べた手順を第５図にフローチャートとしてまと
める。

温度プロファイル設定の際におけるｎ次曲線の設定は、
求めるべき温度分布の形状に最も適した曲線を選択すれ
ば良く、双曲線、楕円曲線、三角関数曲線、指数関数曲
線等の曲線を用いてもよい。また、ｍ＋１個の交点座標
の初期値の近傍のに種類の交点座標について、評価関数
を算出する場合、前記には最大３２″′種類とする。第
４図を例にとると、ｍ本の曲線の場合ｍ＋１個の交点が
存在するが、但し両端は横軸に対して固定点である。各
々の点について、横軸方向に前後に＋１の２個とその点
そのまま１個の計３個の探索点を選び、同様に縦軸方向
に上下に＋１の２個とその点そのまま１個の計３個の探
索点を選ぶと、横軸方向の合計の探索すべき交点の種類
は３３−１種類で縦軸方向の合計の探索すべき交点の種
類は３　＋１４１種類であり、従って計３″ｌ−１ｘ３
″″１＝３２″′種類となる。この値は曲線の形状等を
考慮して３２′″以下としてもよい。又３１以上として
もよいが、計算時間が増加するという問題が生ずる。

恒温槽によりステップ状の温度分布を設定した場合、観
測される温度分布信号系列７と上記手順により復元され
る温度分布信号系列６を実施例として第６図に示す。

パルス波形信号系列としては第１段階で得られた第２図
を用いた。

第２図の横軸は距離（ｍ）としてるが、２４０ｎｓｅｃ
のパルス巾を有するレーザーパルスを入射した例であり
、１ｍが１Ｏｎｓｅｃの計測時間に対応する（光フアイ
バー中で光は１ｍを１０　ｎ５ｅｃで往復する）ため、
見かけ上パルスの端から端までを２４　ｍとすることが
できる。即ち、Ｌ　（ｍ）の光ファイバーの計測に要す
る時間ｔｇは、ＬＸ　１０−”（ｓｅｅ） ｌｘ　１０（ｎｓｅｃ） となり、従ってこの変換は１　（ｍ）　＝１０（ｎｓｅ
ｃ＞として起き、光フアイバー中を光が１ｍを１０ｎｓ
ｅｃで往復することに対応する。これはパルス巾によっ
て生じる遷移距離と同じであり、１０ｎｓｅｃのパルス
巾によって１ｍの遷移距離が生じる。従って、距離軸に
換算したパルスの劣化特性は１０ｎｓｅｃを１ｍとして
規定できる。縦軸はパルスの全光量を１とした場合の強
度分布を示したものである。領域はファイバーの２５０
ｍから３５０ｍまで、ｎ＝１．ｍ＝３と指定した。

ノイズ信号のため通常の逆変換操作Ｒ’　（ｚ）／Ｈ’
（ｚ）では安定な解が得られなかったが、上記の手順で
は安定な解が得られた。

さらに設定温度分布と復元された温度分布を比較すると
、サンプリング間隔（１ｍ）で立ち下がりが検圧できた
（距離分解能１ｍ）上に、０．５℃以内の誤差で推定す
ることができた。

本発明での信号処理は、０ＴＤＲ法で観測できるあらゆ
る物理量（破断点、損傷点、圧力等）分布に適用できる
。即ち、レーレ散乱やラマン散乱等の後方散乱検８信号
の信号からどのような物理量分布も導く方法に適用でき
る。

［発明の効果コ 本発明は、距離分解能に比して充分広いレーザーパルス
が利用できる為、Ｓ／Ｎが格段に改善され、分解能が向
上するという効果を有する。

又、このレーザーパルスにより結果的に帯域が制限され
る為、検出器、増幅器供に帯域、及び雑音電力の点で有
利である。更に、高速大電流スイッチングの必要性がな
い為、コストダウンが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は本発明の実施例を示し、第１図はレー
ザーパルス波形とステップ状温度変化部の最適分布解の
波形図であり、第２図はレーザーパルスの劣化特性信号
系列ｈ（ｐ）のグラフであり、第３図は劣化特性固定デ
ータのグラフであり、第４図は予め指定するプロファイ
ル条件の１例を示すグラフであり、第５図は信号処理の
フローチャートであり、第６図はステップ状温度変化部
の最適分布解を求めたグラフであり、第７図は遷移領域
を説明する波形図であり、第８図は従来の分布型光フア
イバー温度センサーブロック図である。 １・・・レーザーパルス波形 ３・・・劣化特性信号系列 ５・・・観測温度分布 第１図 第 図 睨１は（仏） 第２図 旺岨（ａ） 距離 第 図 第 図 第 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源部より発振したレーザーパルスを被測定光フ
   ァイバーへ入射し、該被測定光ファイバーからの戻り光
   を検出して該被測定光ファイバー及びその周辺の物理量
   変化を距離に関して測定するための信号処理方法におい
   て、該レーザーパルスによって生じる該戻り光が信号処
   理装置へ到達するまでに受けるパルス歪みを劣化特性信
   号系列としてあらかじめ該信号処理装置内に記憶してお
   き、観測された物理量分布信号系列において信号処理す
   べき領域と該領域内において近似すべき曲線とそれらを
   結合して得られるプロファイルを選択指定し、その指定
   領域内における曲線の交点座標の初期値を推定選択し、
   該初期値とその近傍の複数の交点座標について、該劣化
   特性信号系列と前記曲線とのコンボリューションと、観
   測物理量分布信号系列との非線形最小二乗法による評価
   値を算出し、該評価値を最小にする交点座標を最良近似
   解として選択し、物理量変化部の最適分布を求めること
   を特徴とする信号処理方法。
2. （２）光源部より発振したレーザーパルスを被測定光フ
   ァイバーへ入射し、該被測定光ファイバーからの戻り光
   を検出して該被測定光ファイバー及びその周辺の物理量
   変化を距離に関して測定するための信号処理方法におい
   て、該レーザーパルスによって生じる該戻り光が信号処
   理装置へ到達するまでに受けるパルス歪みを、既知の物
   理量分布信号系列のｚ変換Ｔ′（ｚ）と観測された温度
   分布信号系列のｚ変換Ｒ′（ｚ）より算出される伝達特
   性Ｈ′（ｚ）＝Ｒ′（ｚ）／Ｔ′（ｚ）を逆ｚ変換して
   得られる劣化特性信号系列ｈ（ｐ）として序め該信号処
   理装置内に記憶しておき、観測された物理量分布信号系
   列において信号処理すべき領域（ｉ１〜ｉ２）と該領域
   （ｉ１〜ｉ２）内において近似すべきｍ本のｎ次曲線を
   結合して得られるプロファイル（ｍ、ｎ）を選択指定し
   、その指定領域内におけるｍ本のｎ次曲線のｍ＋１個の
   交点座標の初期値を推定選択し、該初期値とその近傍の
   ｋ＝＾２＾ｍ個の交点座標について、該劣化特性信号系
   列ｈ（ｐ）と前記ｎ次曲線信号系列をｔ″（ｐ）とのコ
   ンボリューションと、観測物理量分布信号系列ｒ″（ｐ
   ）との非線形最小二乗法による評価値を ▲数式、化学式、表等があります▼ （ｌ＿１はレーザーパルス波形の始点、ｌ＿２はレーザ
   ーパルス波形の終点） により算出し、該評価値を最小にする交点座標を最良近
   似解として選択し、物理量変化部の最適分布を求めるこ
   とを特徴とする信号処理方法。
3. （３）被測定光ファイバーへレーザーパルスを入射する
   光源部と、被測定光ファイバーからの戻り光を測定装置
   へ導光する光方向性結合器と、戻り光の周波数及び強度
   等の変化を距離に関して計測することによって被測定光
   ファイバー及びその周辺の物理量の変化を測定する測定
   装置とからなる分布型光ファイバーセンサーにおいて、
   該測定装置の信号処理部において、該レーザーパルスに
   よって生じる該戻り光が信号処理装置へ到達するまでに
   受けるパルス歪みを劣化特性信号系列としてあらかじめ
   該信号処理装置内に記憶しておき、観測された物理量分
   布信号系列において信号処理すべき領域と該領域内にお
   いて近似すべき曲線とそれらを結合して得られるプロフ
   ァイルを選択指定し、その指定領域内における曲線の交
   点座標の初期値を推定選択し、該初期値とその近傍の複
   数の交点座標について、該劣化特性信号系列と前記曲線
   とのコンボリューションと、観測物理量分布信号系列と
   の非線形最小二乗法による評価値を算出し、該評価値を
   最小にする交点座標を最良近似解として選択し、物理量
   変化部の最適分布を求める処理を行うことを特徴とする
   分布型光ファイバーセンサー。
4. （４）被測定光ファイバーへレーザーパルスを入射する
   光源部と、被測定光ファイバーからの戻り光を測定装置
   へ導光する光方向性結合器と、戻り光の周波数及び強度
   等の変化を距離に関して計測することによって被測定光
   ファイバー及びその周辺の物理量の変化を測定する測定
   装置とからなる分布型光ファイバーセンサーにおいて、
   該測定装置の信号処理部において、該レーザーパルスに
   よって生じる該戻り光が信号処理装置へ到達するまでに
   受けるパルス歪みを、既知の物理量分布信号系列のｚ変
   換Ｔ′（ｚ）と観測された温度分布信号系列のｚ変換Ｒ
   ′（ｚ）より算出される伝達特性Ｈ′（ｚ）＝Ｒ′（ｚ
   ）／Ｔ′（ｚ）を逆ｚ変換して得られる劣化特性信号系
   列ｈ（ｐ）として序め該信号処理装置内に記憶しておき
   、観測された物理量分布信号系列において信号処理すべ
   き領域（ｉ１〜ｉ２）と近似すべきｍ本のｎ次曲線を結
   合して得られるのプロファイル（ｍ、ｎ）を選択指定し
   、その指定領域内におけるｍ本のｎ次曲線のｍ＋１個の
   交点座標の初期値を推定選択し、該初期値とその近傍の
   ｋ＝３＾２＾ｍ個の交点座標について、該劣化特性信号
   系列ｈ（ｐ）と前記ｎ次曲線信号系列ｔ″（ｐ）とのコ
   ンボリューションと、観測物理量分布信号系列ｒ″（ｐ
   ）との非線形最小二乗法による評価値を ▲数式、化学式、表等があります▼ （ｌ＿１はレーザーパルス波形の始点、ｌ＿２はレーザ
   ーパルス波形の終点） により算出し、該評価値を最小にする交点座標を最良近
   似解として選択し、物理量変化部の最適分布を求める処
   理を行うことを特徴とする分布型光ファイバーセンサー
   。