JPH05273081A - Ｏｔｄｒを用いた計測方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ光の損失を少なくし、かつストークス
光と反ストークス光の減衰量のばらつきを少なくして計
測精度を高める。 【構成】 光ファイバから出射される後方散乱光の内ラ
マン散乱によるストークス光と反ストークス光との強度
比から光ファイバの各種の分布特性を求めるＯＴＤＲを
用いた計測装置において、分岐分光器１を有する。この
分岐分光器１は、レーザ光源１からの入射光、レイリー
散乱光などの不要光を反射し、ストークス光を透過して
分離抽出するバンドパスフィルタからなる２色ミラー３
と、２色ミラー３を透過しない反ストークス光を透過さ
せるバンドパスフィルタからなる２色ミラー４とを備え
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ、光導波路
などの光導波部にレーザ光を入射し、光導波部中を伝送
する光信号の反射散乱光を検出することにより光ファイ
バの特性検査、欠陥検出、温度分布の検出等を行うＯＴ
ＤＲ（Optical Time Domein Reflectmetry）を用いた計
測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＯＴＤＲを用いた計測装置には各種のも
のがあるが、例えば光ファイバ式分布型温度センサは、
光ファイバの端部からファイバ中に幅数ｎｓｅｃ、ピー
クパワー数Ｗの短パルス光信号を入力することによって
散乱光を発生させ、光ファイバ各点における散乱光の強
度が温度により変化することを利用して光ファイバの長
手方向に沿った温度情報を得るものである。

【０００３】図８はレイリー散乱光及びラマン散乱光の
特性図であるが、ラマン散乱光は微弱ながら温度変化に
敏感である為、ラマン散乱光を利用する方式の光ファイ
バ式分布型温度センサは有望視されており、光ファイバ
の利用と相まって光ファイバを敷設した箇所全体の温度
情報を得る方法として近年注目され開発が進められてい
る。例えば特開平１−２４０８２８号、特開平２−１４
０６３２号、特開平２−１４５９３３号、特開平２−２
２３８３３号、特開平３−２１８３７２号各公報が挙げ
られる。

【０００４】図９はこれらの公報に開示されているラマ
ン散乱光を利用した光ファイバ式分布があった温度セン
サの構成説明図である。図において、７１は光カプラ、
７２は光源、７３は分光部及びＯ／Ｅ変換器からなる光
信号検出器であり、７４は計測用光ファイバケーブルで
ある。この計測装置においては、光カプラ７１を用いて
光の入射ポート及び反射散乱光の出力ポートをそれぞれ
構成し、入射ポートに光源７２及び光信号検出器７３を
接続し、出力ポートにセンサ用光ファイバ７４を接続し
ている。即ち光カプラ７１が２×２ポートの場合には、
入力側の２ポートに光源７２及び光信号検出器７３をそ
れぞれ接続し、出力側の１ポートに計測用光ファイバケ
ーブル７４を接続し、他ポートはフレネル反射を防止す
るために端面処理を施して開放端としている。

【０００５】又、光ファイバ式分布型温度センサに代表
されるＯＴＤＲを用いた計測技術において従来よく用い
られてきた信号入力方式は、短パルス光信号入力方式と
いわれるもので、強力な短パルスの光信号を光源から光
ファイバに入力し、戻ってきた光を検出する方式であ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術には以下のような問題点があった。 （１）従来の短パルス光信号入力方式では、Ｑスイッチ
レーザのような高出力レーザが必要となり、装置の大型
化、高価格化を招来していた。これに加えてこの方式で
は測定温度範囲、距離分解能、測定可能距離、計測時間
に課題が残されており、実用範囲の限定を招いていた。 （２）従来の光カプラを用いる計測装置では、次のよう
な問題が発生し、計測精度、計測時間等に著しい悪影響
を及ぼしていた。 光カプラの不要なポートは端面処理などによって反射
を防いでいるが、ラマン散乱光が入射光に対して極めて
微弱なために無視することができず、感度向上の妨げと
なる。又不要ポートが存在しない２×１ポート構造のも
のではアイソレーションが不完全であるために入射光が
融着処理部などから光検出部へ漏れ込み感度の低下を招
く。この問題は光源からの光信号のピークパワーが小さ
い信号入力式を採用することの妨げとなる。即ち、この
場合反射光による外乱によって高精度測定ができなくな
る。 光カプラを使用すると、例えば２×２ポートの場合光
源から光ファイバへ伝送される経路で約１／２、光ファ
イバから光信号検出器へ伝送される経路でも約１／２光
量が減衰してしまう。このような減衰はＳ／Ｎを低下さ
せ、検出精度、計測処理時間の増加などを引き起こして
しまう。

【０００７】上記（２）の問題に対して、光カプラを用
いない計測装置も報告されている。図１０は特開昭６４
−６１６２２号公報に開示された温度計測装置の構成説
明図である。この装置では図１１に示す特性を有する反
射２色ミラーと図１２に示す特性を有する分離２色ミラ
ーとを用いることにより、低損失でストークス光と反ス
トーク光とを分離している。図において、８１は光源、
８２は光ファイバセンサ部、８３は反射２色ミラー、８
４は分離２色ミラーであり、８５，８６は受光部であ
る。しかし、このような構成の計測装置においては、外
乱となる不要光の除去ができず別途カットフィルタ等の
設置が必要となるだけでなく、ストークス光と反ストー
クス光とがミラーを透過する回数が異なるため散乱光の
正確な強度比が得られず測定精度が低下する。更に、ス
トークス光及び反ストークス光のうちいずれか一方は少
なくとも２種類以上のミラーを透過しなければならない
ので、微弱光の処理方法としては必ずしも最適な方法と
は言えず、また長距離測定には不適当であった。

【０００８】実際にこの温度計測装置を検討してみる
と、次の通りである。即ち、受光部８５がレーザ光を受
光するまでには反射２色ミラー８３の透過及び分離２色
ミラー８４の反射を経由し、また、受光部８６がレーザ
光を受光するまでには反射２色ミラー８３及び分離２色
ミラー８４の透過を経由する。ここで、各部の損失を次
のとおり仮定する。 光源８１から光ファイバセンサ部８２の間の損失Ｌ１ Ｌ１＝−０．５ｄＢ 光ファイバセンサ部８２から受光部８５の間の損失Ｌ２ Ｌ２＝（−０．０４）＋（−０．０４）＝−０．０８ｄ
Ｂ 光ファイバセンサ部８２から受光部８５の間の損失Ｌ３ Ｌ３＝（−０．０４）＋（−０．５）＝−０．５４ｄＢ 受光部８５，８６に至るまでの全体の損失Ｌ２ａ、Ｌ３
ａは次のとおりになる。 Ｌ２ａ＝（−０．５）＋（−０．０８）＝−０．５８ｄ
Ｂ（１２．５％） Ｌ３ａ＝（−０．５）＋（−０．５４）＝−１．０４ｄ
Ｂ（２１．３％） このようにストークス光と反ストークス光のとの減衰量
の割合が極端に異なるので、その強度比により温度分布
を求めた場合には計測精度が低下せざるを得なかった。

【０００９】本発明は、以上の問題に鑑みてなされたも
のであり、レーザ光の損失を極力なくし、ストークス光
と反ストークス光の減衰量のばらつきを少なくして計測
精度を高めるとともに、ＯＴＤＲに好適な信号処理技術
を含んだＯＴＤＲを用いた計測方法及び装置を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の一つの態様によ
るＯＴＤＲを用いた計測方法は、信号パターンが同一で
周波数が僅かに異なる２つの擬似ランダム信号を発生す
る工程と、発生した一方の擬似ランダム信号でレーザ光
源を変調して光ファイバ内に入射する工程と、この光フ
ァイバからの後方散乱光からラマン散乱によるストーク
ス光及び反ストークス光を抽出する光成分抽出工程と、
抽出したストークス光及び反ストークス光と他方の擬似
ランダム信号とを乗じた後帯域制限する工程と、この帯
域制限された信号に基づき光ファイバの各種特性を求め
る工程とを有する。

【００１１】本発明の他の態様によるＯＴＤＲを用いた
計測方法は、光成分抽出工程は、ストークス光のみを抽
出する工程と反ストークス光のみを抽出する工程とを有
する光学素子による光学分離工程であって、レーザ光源
から発っせられた光が光ファイバに入射する迄での間に
光学素子を透過しない。

【００１２】本発明の他の態様によるＯＴＤＲを用いた
計測装置は、光ファイバから出射される後方散乱光のう
ちラマン散乱によるストークス光と反ストークス光との
強度に基づき光ファイバの各種の分布特性を求めるＯＴ
ＤＲを用いた計測装置において、ストークス光又は反ス
トークス光の一方を透過して抽出する光学フィルタから
成る第１の２色ミラーと、第１の２色ミラーを透過しな
い反ストークス光又はストークス光を透過して抽出する
光学フィルタから成る第２の２色ミラーとを備え、光源
からの光ファイバを第１の２色ミラー及び第２の２色ミ
ラーとを介して光ファイバに導く分光部を有する。

【００１３】本発明の他の態様によるＯＴＤＲを用いた
計測装置は、第１の２色ミラーは、後方散乱光からスト
ークス光又は反ストークス光のうち一方を抽出し残りを
反射する光学フィルタから成り、第２の２色ミラーは、
第１の２色ミラーで反射された光から、反ストークス光
又はストークス光のうちその第１の２色ミラーで抽出さ
れなかった方の光を透過して抽出する光学フィルタから
成る。

【００１４】本発明の他の態様によるＯＴＤＲを用いた
計測装置は、光ファイバから出射される後方散乱光のう
ちマラソン散乱によるストークス光と反ストークス光と
の強度に基づき光ファイバの各種の分布特性を求めるＯ
ＴＤＲを用いた計測装置において、ストークス光又は反
ストークス光の一方を反射して抽出する光学フィルタか
ら成る第３の２色ミラーと、第３の２色ミラーで反射さ
れない反ストークス光又はストークス光を反射して抽出
する光学フィルタから成る第４の２色ミラーとを備え、
光源からの光ファイバを第３の２色ミラー及び第４の２
色ミラーとを介して光ファイバに導く分光部を有する。

【００１５】本発明の他の態様によるＯＴＤＲを用いた
計測装置は、第１のクロック信号に基づき第１の擬似ラ
ンダム信号を発生する手段と、第１のクロック信号と周
波数が僅かに異なる第２のクロック信号に基づき第２の
擬似ランダム信号を発生する手段と、第１の擬似ランダ
ム信号により振幅変調されたレーザ光を発生し、分光部
を経て光ファイバに入力する手段と、第１の擬似ランダ
ム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する手段と、
光ファイバ中で発生した散乱光のうち分光部で抽出され
たストークス光及び反ストークス光と第２の擬似ランダ
ム信号とをそれぞれ乗算する手段と、乗算された各信号
の帯域制限を行う手段と、帯域制限を受けた信号に基づ
き光ファイバの各種特性を求める演算手段とを有する。

【００１６】

【作用】本発明のＯＴＤＲを用いた計測方法及び装置に
おける波長分離抽出の原理を図２に従って説明する。図
２は２種類の２色ミラーを用いた場合の波長分離抽出の
原理説明図である。図２において、２色ミラー３はラマ
ン散乱光の内波長λ_＋のストークス光のみを透過して他
の光は反射し、２色ミラー４は波長λ₋の反ストークス
光のみを透過して他の光は反射し、いずれもバンドパス
フィルタで構成される。この２色ミラー３，４の特性は
図３又は図４に示されるとおりである。図３において、
フィルタ３はストークス光を透過して抽出する光学フィ
ルタから成り、光学フィルタ４は反ストークス光を透過
して抽出する光学フィルタから成ることを示している。
また、図４において、フィルタ３は後方散乱光からスト
ークス光を抽出し残りを反射する光学フィルタから成
り、フィルタ４は反ストークスを透過して抽出する光学
フィルタから成ることを示している。即ち、図４の特性
は目的光以外の波長は一切受光器側に透過しないことを
示している。いずれにしても、望ましくはフィルタ３，
４は図３の透過特性と図４の反射特性の双方を満足すべ
きものである。

【００１７】レーザ光源２からの波長λ_０の入射光は入
力ポート７から入射して２色ミラー４へ向かう。波長λ
_０の光は分岐分光器１内の２色ミラー４と２色ミラー３
とでそれぞれ反射された後、センサ接続ポート８を経て
センサ用光ファイバ１１へ入力される。センサ用光ファ
イバ１１で発生した散乱光の一部は光源側へ反射して戻
り、再びセンサ接続ポート８より分岐分光器１へ入射す
る。２色ミラー３は戻ってきた散乱光の内ストークス光
のみを透過し、他の光は２色ミラー４の方向へ反射す
る。２色ミラー４は反ストークス光のみを透過し他の光
を反射する。従って、ストークス光はストークス光出力
ポート９から出力されてＯ／Ｅ変換器１２ａへ入力さ
れ、また、反ストークス光は反ストークス光出力ポート
１０から出力されてＯ／Ｅ変換器１２ｂへ入力される。

【００１８】以上のような経路を通る光の損失の大部分
は２色ミラー３，４の特性に左右されるが、今日では透
過波長帯の透過率９０％以上、反射波長帯の反射率９８
％以上の２色ミラーが比較的容易に得られていることか
ら、反射における損失は殆ど無視することができ、透過
についても２色ミラーを数枚重ねた程度であれば光カプ
ラに比べて格段に損失を低下させることが可能である。

【００１９】このように本発明における分岐分光器は、
従来の光カプラを使用せず、２色ミラーの組み合わせに
よって光源と検出器のポートを分離しており、また、セ
ンサ用光ファイバ側においても不要なポートが存在しな
いので、外乱となるフレネル反射等による漏れ込みを大
幅に低減することが可能になる。このような構成は特に
疑似ランダム信号のようにピークパワーの小さい光源か
らのパルス光を入射したときに特に効力を発揮し、飛躍
的に検出性能を向上させることが可能となる。

【００２０】また、レーザ光源２からの入射光は２色ミ
ラー３，４を透過することなくセンサ用光ファイバに入
力され、発生したストークス光及び反ストークス光のい
ずれも一種類の２色ミラーを透過するだけなので、低損
失でしかも同一条件での検出が可能になる。その上それ
ぞれの２色ミラーにより必要な波長のみが選択透過され
るので不要な外乱光による影響を受けず、反射２色ミラ
ーと分離２色ミラーを組み合わせた従来の方法に比べて
効果的に波長分離が行える。

【００２１】次に、本発明の他の態様によるＯＴＤＲを
用いた計測装置における波長分離抽出の原理を図５に従
って説明する。図５は２色ミラーに光学フィルタを用い
た場合においてレイリー散乱光のような外乱を有効に除
去するのに適した例を示す原理図である。２色ミラー３
ａはラマン散乱光のうち波長λ＋のストークス光のみを
反射又はストークス光のみを透過しない光学フィルタで
構成され、２色ミラー４ａはラマン散乱光のうち波長λ
−の反ストークス光のみを反射又はストークス光のみを
透過しない光学フィルタで構成される。それぞれの場合
のフィルタの光学特性を図６及び図７に示した。各２色
ミラーは図６及び図７に示す光学特性を同時に満足する
ことが望ましい。

【００２２】レーザ光源２からの波長λ_０の入射光は入
力ポート７から入射して２色ミラー３ａへ向かう。波長
λ_０の光は分岐分光器１内の２色ミラー３ａ，４ａをそ
れぞれ透過した後、センサ接続ポート８を経てセンサ用
光ファイバ１１へ入力される。センサ用光ファイバ１１
で発生した散乱光の一部は光源側へ反射して戻り、再び
センサ接続ポート８より分岐分光器１へ入射する。２色
ミラー４ａは戻ってきた散乱光の内反ストークス光のみ
を反射し、他の光は２色ミラー３ａの方向へ透過する。
２色ミラー３ａはストークス光のみを反射し他の光を透
過する。従って、ストークス光はストークス光出力ポー
ト９から出力されてＯ／Ｅ変換器１２ａへ入力され、ま
た、反ストークス光は反ストークス光出力ポート１０か
ら出力されてＯ／Ｅ変換器１２ｂへ入力される。図５の
構成によれば後方散乱光が光学素子を経て受光器に至ま
での間に受ける反射及び透過の回数は図１０に示す従来
技術と変わらない。しかし、従来技術と異なりレイリー
散乱光を一切受光器側に反射しないので、有効な波長分
離を外乱なく行うことができ測定精度の向上に資する。
その一方で、レーザ光源からの光は２度の透過を受ける
こととなり、好ましくない。しかしこの点は次に言及す
る擬似ランダム信号入力方式の採用により解消される。

【００２３】本発明の他の態様によるＯＴＤＲを用いた
計測装置においては、擬似ランダムにより光源を変調し
ている。第１のクロック信号発生器及び第２のクロック
信号発生器により駆動される第１の擬似ランダム信号発
生器及び第２の擬似ランダム信号発生器から、信号パタ
ーンは同一で周波数がわずかに異なる２つの擬似ランダ
ム信号を繰り返し発生する。第１の擬似ランダム信号に
よりレーザ光に対して変調を施し、センサ用光ファイバ
に対して入力し、その中からの反射散乱光を受光し、検
出信号を得る。

【００２４】この検出信号と第２の擬似ランダム信号の
乗算を行うとその乗算結果は、レーザ光の変調に用いた
第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とは
信号パターンが同一で周波数がわずかに事なるため、２
つの信号の位相は徐々にずれてゆく。そして、或る時点
において２つの擬似ランダム信号のパターンが一致した
場合には、乗算結果は連続した正の信号となるが、時間
の経過とともに２つの擬似ランダム信号のパターンはず
れてゆき乗算結果は正負のランダムな信号列となり、さ
らに時間が経過すると２つの擬似ランダム信号のパター
ンは再び一致し、乗算結果は再び連続した正の信号とな
る。つまり、乗算結果として一定のパータンと周期を有
する時系列信号が得られる。乗算結果として得られた時
系列信号に対して擬似ランダム信号の周期より長い時定
数のローパスフィルタによる帯域制限を行うと、２つの
擬似ランダム信号のパターンが一致したときに高い値を
示す繰り返しパスル信号が検知信号として得られる。

【００２５】２つの擬似ランダム信号の乗算及び帯域制
限により検知信号として得られた繰り返しパルス信号
は、擬似ランダム信号の自己相関関数を時間軸上で拡大
した信号となっており、この相関信号処理における信号
の帯域制限により、検出信号中に含まれるノイズ成分が
除去され、センサ用光ファイバからの反射散乱光をＳ／
Ｎ良く計測することが可能となる。この検知信号の時間
軸上の拡大率は擬似ランダム信号を駆動する２つのクロ
ック信号の周波数とその周波数差によって定まり、クロ
ック信号の周波数をｆ_１，ｆ_２，周波数差をΔｆ＝ｆ_１
−ｆ_２とすると、ｆ_１／Δｆ倍に拡大される。

【００２６】センサ用光ファイバ中の光信号の信号伝搬
による時間遅れも同様に時間軸上で拡大されるので、検
知信号の時間遅れを計測することにより光信号のセンサ
用光ファイバ中の時間遅れを算出し、その時間遅れに対
応した位置の諸特性、例えば温度計測、欠陥検出、特性
検査等の計測を行うことができる。又、このような信号
処理を施すことで、例えば高感度で高Ｓ／Ｎ比の計測を
行うことができるので、光源のパワーを小さくすること
ができ、実際には半導体レーザの使用で充分な計測が可
能となる。

【００２７】本発明おいては検出信号はストークス信号
と反ストークス信号とに分離されており、上述にように
処理されたストークス信号及び反ストークス信号が得ら
れ、例えば両者の比を求めることによる時間遅れに対応
した位置の温度を計測することができる。

【００２８】

【実施例】図１は本発明の一実施例の分布型温度センサ
の構成を示すブロック図である。図１において、分岐分
光器１にはセンサ用光ファイバ１１が接続されている。
クロック信号発生器１５，１６の出力はそれぞれ疑似ラ
ンダム信号発生器１７，１８に供給される。疑似ランダ
ム信号発生器１７の出力はレーザ光源２を変調するが、
このレーザ光源２は半導体レーザとレーザドライバとか
ら構成されており、外部変調がかけられる構造になって
いる。半導体レーザには波長λ_０＝１，３１０ｎｍで、
出力Ｐ＝５ｍＷのＤＦＢレーザを使用し、反射光の影響
を避けるためのアイソレータが内蔵されているものを用
いている。更に、温度による波長の変化を防止するため
に電子冷却素子（クーラ）、サーミスタを内蔵したもの
を使用し、一定温度で動作させることを可能にしてい
る。分岐分光器の出力ポート９，１０に接続されたＯ／
Ｅ変換器１２ａ，１２ｂはその検出素子としてアバラン
シェ・フォトダイオードを使用している。

【００２９】入出力ポート７〜１０はそれぞれ光ファイ
バが接続されるようにＦＣコネクタが設けられており、
分岐分光器１内ではコリメータレンズ１３により平行光
束の形成及び集光を行っている。また、２色ミラー３，
４はそれぞれ１３９０ｎｍ，１２４０ｎｍに透過波長の
ピークを有し、透過率はいずれも９０％以上の誘電体多
層膜フィルタから構成されている。透過帯の半値幅は４
０ｎｍのものを使用しており、透過帯の中心波長から５
０ｎｍシフトした波長における反射率は９８％以上であ
る。ラマン散乱光はレイリー光に比べて約千分の一の強
度なので本実施例では２色ミラー３，４をそれぞれ２枚
ずつ光軸上に平行に並べて使用している。

【００３０】本実施例では、クロック信号発生器１５，
１６により周波数がそれぞれｆ_１＝２５０．０００ＭＨ
_ｚ，ｆ_２＝２５０．００１ＭＨ_ｚの二つのクロック信号
を発生し、疑似ランダム信号発生器１７，１８を駆動す
る。疑似ランダム信号発生器１７，１８は、フィードバ
ックループを有するシフトレジスタにより構成されるＭ
系列信号発生器から構成され、符号長１０２３の同一パ
ターンのＭ系列信号を発生する。従って、疑似ランダム
信号発生器１７，１８を以下Ｍ系列信号発生器１７，１
８と称するものとする。

【００３１】レーザ光源２は、Ｍ系列信号発生器１７の
出力であるＭ系列信号を入力し、Ｍ系列信号により強度
変調されたレーザ光を発生する。レーザ光源２からの変
調光は光ファイバ２２を介して入力ポート７から分岐分
光器１に入射する。分岐分光器１の内部では、入射光は
コリメータレンズ１３ａで平行光束を形成し、２色ミラ
ー４，３でそれぞれ反射された後再びコリメータレンズ
１３ｂで集光されセンサ接続ポート８に達する。センサ
接続ポート８を介して分岐分光器１を出た光はセンサ用
光ファイバ１１に入射する。センサ用光ファイバ１１に
入射した光信号は、センサ用光ファイバ１１中の各位置
で散乱され散乱光の一部は入射端方向へ戻り、再び分岐
分光器１へ入射する。分岐分光器１のセンサ接続ポート
８から入射した散乱光はコリメータレンズ１３ｂで平行
光束に形成された後、２色ミラー３により１３９０ｎｍ
付近にピークのあるストークス光のみが透過し、他の光
は反射して２色ミラー４へ入射する。２色ミラー４では
１２４０ｎｍ付近にピークのある反ストークス光のみを
透過し、他の光の大部分はレーザ光源２の方向へ反射さ
れる。２色ミラー３，４を透過した光はコリメータレン
ズ１３ｃ，１３ｄを介してそれぞれ出力ポート９，１０
に到達し、Ｏ／Ｅ変換器１２ａ，１２ｂへ入射する。Ｏ
／Ｅ変換器１２ａ，１２ｂに入射した光信号はラマン散
乱光強度に比例した電気信号に変換され、その電気信号
は増幅器１４ａ，１４ｂにより増幅される。

【００３２】乗算器１９ａ，１９ｂ，１９ｃはそれぞれ
ダブルバランスドミキサから構成され、乗算器１９ａは
増幅器１４ａとＭ系列信号発生器１８の出力であるＭ系
列信号とを入力して両者の乗算を行う。乗算器１９ｂは
増幅器１４ｂとＭ系列信号とを入力して両者の乗算を行
う。乗算器１９ａ，１９ｂの出力はそれぞれローパスフ
ィルタ２０ａ，２０ｂ，でそれぞれ帯域制限され、光フ
ァイバからの散乱信号が検知される。そして検知信号は
計算機２１によりＡ／Ｄ変換およびサンプリングされ
る。また、Ｍ系列信号発生器１７，１８で発生したＭ系
列信号は乗算器１９ｃに入力して２つの信号を乗算した
後ローパスフィルタ２０ｃにより帯域制限された基準信
号を別途形成し、同様にＡ／Ｄ変換およびサンプリング
され基準信号として計算機２１に入力される。この基準
信号に対する検知信号の時間遅れとラマン散乱光（スト
ークス光、反ストークス光）強度に比例した電気信号か
らセンサ用光ファイバ１１内における温度分布が求めら
れる。

【００３３】次に、この分布型温度センサにおける光の
損失について検討する。例えば２色ミラー３の反射損失
Ｌｒ＝−０．０４ｄＢ、透過損失Ｌｔ＝−０．５ｄＢと
し、２色ミラー４の反射損失Ｌｒ＝−０．０４ｄＢ、透
過損失Ｌｔ＝−０．５ｄＢとすると、全体の損失は次の
とおりである。 光源２からセンサ用光ファイバ１１の間の損失Ｌ１ Ｌ１＝（−０．０４）＋（−０．０４）＝−０．０８ｄ
Ｂ センサ用光ファイバ１１から受光部１２ａの間の損失Ｌ
２ Ｌ２＝（−０．０４）＋（−０．５）＝−０．５４ｄＢ センサ用光ファイバ１１から受光部１２ａの間の損失Ｌ
３ Ｌ３＝−０．５ｄＢ 受光部１２ａ，１２ｂに至るまでの全体の損失Ｌ２ａ、
Ｌ３ａは次のとおりになる。 Ｌ２ａ＝（−０．０８）＋（−０．５４）＝−０．６２
ｄＢ（１３．３％） Ｌ３ａ＝（−０．０８）＋（−０．５）＝−０．５８ｄ
Ｂ（１２．５％） 従って、受光部１２ａ，１２ｂが受光する光の損失は従
来の場合に比べて、その損失量が少なく、またストーク
ス光と反ストークス光の減衰量のばらつきが小さくなっ
ている。

【００３４】本実施例における分光部の構成は、図２の
原理に基づくものであるが、ここで説明された擬似ラン
ダム信号を用いた信号処理方式を図４の原理に基づく構
成の分光部に適用しても、その信号処理方式が持つ利点
が発揮されることは明らかである。本実施例は温度計測
技術に関するが、本発明は温度計測のみに限定されるも
のではない。ＯＴＤＲの手法を用いるものであれば光フ
ァイバの欠陥検出や特性検査を伴うあらゆる計測技術へ
の適用が可能である。又、本実施例では２色ミラーの構
成について１例のみ示したが、誘導体の多層膜と同等の
光学特性（透過特性や反射特性）を有するか、同等の機
能を奏するその他の光学フィルタを本発明が排除するも
のではない。更に、本実施例では擬似ランダム信号とし
てＭ系列信号の場合について説明したが、本発明はそれ
に限定されるものではなく、例えばバーカー系列符号、
相補系列符号、ゴールド符号等を用いることができる。
又、本実施例では信号発信のために２つのクロック信号
発生器を用いているが、一つのクロック信号発生器で同
等の機能を持たせることは可能である。即ち、一つのク
ロック信号発生からのクロック信号で第１の擬似ランダ
ム信号を発生させるとともに、そのクロック信号の周波
数を別に設けた分周器により僅かに変え、その後の信号
により第２の擬似ランダム信号を発生させるという手法
を採用することができる。このような改良は本発明の範
囲を逸脱するものではない。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、レーザ光
源とＯ／Ｅ変換器との結合において光カプラを使用せず
に、分光部を用いているので以下のような効果が得られ
る。 不要なポートが存在しないので外乱となるフレネル反
射を大幅に削減することが可能になる。 分光部内における光の損失が極めて少ないのでＳ／Ｎ
が大幅に向上する。また、分岐フィルタ部を２色ミラー
のみで構成するので、２色ミラーと分離ミラーとを組み
合わせた方式に比べても外乱光などによる誤検出、透過
反射条件の不均一による検出精度の低下を防止でき、か
つ低損失の分離抽出が可能になる。

【００３６】また、本発明によれば、光導波部に入力す
る信号として擬似ランダム信号により変調されたレーザ
光を用い、光導波部からの反射散乱光に対して相関演算
を行うことによりノイズを低減しＳ／Ｎを向上させ、更
に符号長を長くすることにより高感度な信号検出が可能
となり、平均処理による信号処理時間を減少させること
が可能となっている。例えば、符号長１０２３のＭ系列
信号を用いることにより−１２０ｄＢ以上減衰した信号
まで計測可能となっている。更に、検知信号の１周期で
の計測も可能になり、複数回の計算値の平均処理による
要する時間も減少できる。

【００３７】また、本発明によれば、２つの周波数の異
なる擬似ランダム信号を利用して信号処理を行うための
実際の光信号の伝播時間に対して時間的に拡大された検
知信号が得られ、反射散乱光の時間遅れの計測、強度検
出等の信号処理を低速で行うことが可能となる。例えば
Ｍ系列信号の符号長４０９５、クロック周波数を２５０
ＭＨｚ、クロック周波数の差を１０ｋＨｚとすると、検
知信号の周期は０．４ｓｅｃ、検知信号の拡大率は２５
０００倍（２５０ＭＨｚ／１０ｋＨｚ）となり、検知信
号のワンプリングを０．１ｍｓｅｃで行うとその換算距
離は０．４ｍとなり、低速のサンプリングでも高い分解
能を実現することが可能になっている。この場合、平均
処理によりＳ／Ｎを増大させた場合においても、従来の
ＯＴＤＲ装置に比べてその平均回数を減らし、従来のＯ
ＴＤＲ装置では数十秒かかっていた計測信号処理時間を
数秒に短縮することが可能になっている。

【００３８】又、本発明によれば、従来の高出力レーザ
光の入射が必ずしも必要でなくなるので、装置特にレー
ザ光源の小型化と低廉化が可能になる。特に、レーザ光
源から光ファイバの入射端までの光路中で光学素子を全
く透過しないような構成にすると、光ファイバ入射前の
レーザ光は殆ど減衰することがないので、レーザ光源の
小型化に更に資する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の分布型温度センサの構成を
示すブロック図である。

【図２】バンドパスフィルタを用いた場合の波長分離抽
出の原理説明図である。

【図３】バンドパスフィルタの透過率の特性図である。

【図４】バンドパスフィルタの反射率の特性図である。

【図５】バンドカットフィルタを用いた場合の波長分離
抽出の原理説明図である。

【図６】バンドカットフィルタの透過率の特性図であ
る。

【図７】バンドカットフィルタの反射率の特性図であ
る。

【図８】レイリー散乱光及びラマン散乱光の特性図であ
る。

【図９】従来の光ファイバ分布型温度センサの構成説明
図である。

【図１０】従来の温度計測装置の構成説明図である。

【図１１】図１０の装置の反射２色ミラーの特性図であ
る。

【図１２】図１０の装置の分離２色ミラーの特性図であ
る。

【符号の説明】

１ 分岐分光器 ２ レーザ光源 ３，４，３ａ，４ａ ２色ミラー ７ 入力ポート ８ センサ接続ポート ９ ストークス光出力ポート １０ 反ストークス光出力ポート １１ センサ用光ファイバ １２ Ｏ／Ｅ変換器（光検出器） １３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ コリメータレンズ １４ａ，１４ｂ 増幅器 １５，１６ クロック発生器 １７，１８ 疑似ランダム信号発生器 １９ａ，１９ｂ，１９ｃ 乗算器 ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ ローパスフィルタ ２１ 計算機 ２２ 光ファイバ

フロントページの続き (72)発明者 山田 健夫 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 信号パターンが同一で周波数が僅かに異
   なる２つの擬似ランダム信号を発生する工程と、発生し
   た一方の擬似ランダム信号でレーザ光源を変調して光フ
   ァイバ内に入射する工程と、この光ファイバからの後方
   散乱光からラマン散乱によるストークス光及び反ストー
   クス光を抽出する光成分抽出工程と、抽出したストーク
   ス光及び反ストークス光と他方の擬似ランダム信号とを
   乗じた後帯域制限する工程と、この帯域制限された信号
   に基づき光ファイバの各種特性を求める工程とを有する
   ことを特徴とするＯＴＤＲを用いた計測方法。
2. 【請求項２】 前記光成分抽出工程は、ストークス光の
   みを抽出する工程と反ストークス光のみを抽出する工程
   とを有する光学素子による光学分離工程であって、レー
   ザ光源から発っせられた光が光ファイバに入射する迄で
   の間に前記光学素子を透過しないことを特徴とする請求
   項１記載のＯＴＤＲを用いた計測方法。
3. 【請求項３】 光ファイバから出射される後方散乱光の
   うちラマン散乱によるストークス光と反ストークス光と
   の強度に基づき光ファイバの各種の分布特性を求めるＯ
   ＴＤＲを用いた計測装置において、 ストークス光又は反ストークス光の一方を透過して抽出
   する光学フィルタから成る第１の２色ミラーと、該第１
   の２色ミラーを透過しない反ストークス光又はストーク
   ス光を透過して抽出する光学フィルタから成る第２の２
   色ミラーとを備え、光源からの光ファイバを前記第１の
   ２色ミラー及び前記第２の２色ミラーとを介して光ファ
   イバに導く分光部を有するＯＴＤＲを用いた計測装置。
4. 【請求項４】 前記第１の２色ミラーは、後方散乱光か
   らストークス光又は反ストークス光のうち一方を抽出し
   残りを反射する光学フィルタから成り、前記第２の２色
   ミラーは、前記第１の２色ミラーで反射された光から、
   反ストークス光又はストークス光のうちその第１の２色
   ミラーで抽出されなかった方の光を透過して抽出する光
   学フィルタから成ることを特徴とする請求項３記載のＯ
   ＴＤＲを用いた計測装置。
5. 【請求項５】 光ファイバから出射される後方散乱光の
   うちマラソン散乱によるストークス光と反ストークス光
   との強度に基づき光ファイバの各種の分布特性を求める
   ＯＴＤＲを用いた計測装置において、 ストークス光又は反ストークス光の一方を反射して抽出
   する光学フィルタから成る第３の２色ミラーと、該第３
   の２色ミラーで反射されない反ストークス光又はストー
   クス光を反射して抽出する光学フィルタから成る第４の
   ２色ミラーとを備え、光源からの光ファイバを前記第３
   の２色ミラー及び前記第４の２色ミラーとを介して光フ
   ァイバに導く分光部を有するＯＴＤＲを用いた計測装
   置。
6. 【請求項６】 第１のクロック信号に基づき第１の擬似
   ランダム信号を発生する手段と、前記第１のクロック信
   号と周波数が僅かに異なる第２のクロック信号に基づき
   第２の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記第１の
   擬似ランダム信号により振幅変調されたレーザ光を発生
   し、前記分光部を経て光ファイバに入力する手段と、前
   記第１の擬似ランダム信号と前記第２の擬似ランダム信
   号とを乗算する手段と、前記光ファイバ中で発生した散
   乱光のうち前記分光部で抽出されたストークス光及び反
   ストークス光と前記第２の擬似ランダム信号とをそれぞ
   れ乗算する手段と、乗算された各信号の帯域制限を行う
   手段と、前記帯域制限を受けた信号に基づき光ファイバ
   の各種特性を求める演算手段とを有する請求項１乃至３
   のうち何れかに記載のＯＴＤＲを用いた計測装置。