JPH06221932A - ファイバ温度分布センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 誘導ラマン散乱が発生せず、検知距離分解能
が損なわれず、大きな受光レベルが得られ、ＳＮを改善
したファイバ温度分布センサを提供する。 【構成】 光ファイバに発生するラマン散乱光の温度依
存性を利用するファイバ温度分布センサにおいて、ファ
イバ１として光波が伝搬する複数の独立したコア２を近
接して並列に設け多ものを使用し、各々のコア２に発生
するラマン散乱光を共通の一つの受光器３で受光するよ
うにした。また、ファイバ１として共通のクラッド８内
にコアを複数設けたマルチコアファイバ、同心円状のリ
ング形コアを複数持つファイバ、一つのクラッド内に一
つのコアを持つファイバを複数本束ねたファイバ束を使
用するようにした。 【効果】

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中に発生する
ラマン散乱光の強さが温度に依存することを利用して、
ファイバの長手方向に沿った温度分布を測定するファイ
バ温度分布センサに関するものであり、電力ケーブル、
送風及び排気ダクト、石油化学プラントの設備あるいは
配管、及びＬＮＧ輸送船などにおける異常な温度上昇あ
るいは温度効果の広域監視に利用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ中を光が伝搬するとき、ファ
イバ中で光の散乱が生じる。散乱光には入射した光と同
じ波長のレーリ散乱光と呼ばれる散乱光の他に、入射光
とは異なる波長の散乱光が含まれる。波長の短い散乱光
は反ストークス光、波長の長い散乱光はストーク光と呼
ばれている。

【０００３】前記の入射光と波長の異なる散乱光は物質
のいろいろなメカニズムによって発生する。物質を構成
する原子は熱振動（格子振動）を行っている。この格子
振動と光が相互に作用することにより、入射した光の波
長とは異なった波長の光が発生する。いろいろなモード
で振動する格子振動のうち、光学形格子振動と呼ばれる
原子の振動によって光が散乱される現象をラマン散乱と
呼んでいる。このラマン散乱は格子の熱振動によって光
が散乱するので、光の散乱強度は温度に依存することに
なる。

【０００４】光ファイバに発生するラマン散乱を利用す
る温度分布センサの基本的な原理は以下の通りである。
光ファイバにパルス光を入射すると、そのパルス光は前
述のレーリ散乱およびラマン散乱を受けながら光ファイ
バ中を伝搬する。入射端から距離ｚの箇所において散乱
され、再び入射端に戻ってくる後方散乱光から、光学的
な波長フィルタ等の手段によって温度情報を含んでいる
ラマン散乱光の波長成分が抽出される。このとき抽出さ
れるラマン散乱光の光パワＰｒは次式のように表され
る。

【０００５】 Ｐｒ∝Ｐｏ・ηｒ・ｅｘｐ［−（αｒ＋α）ｚ］・Ｗ （１） ただし、Ｐｏ＝入射光パワ ηｒ＝ラマン光への変換係数 αｒ＝ファイバのラマン光の波長における伝送損失 α ＝ファイバの入射光の波長における伝送損失 Ｗ ＝入射光パルスの幅 物理的にはラマン係数が温度に依存する量である。

【０００６】この信号光がＡＰＤ（アバランシュフォト
ダイオード）などの光検出素子によって電気信号に変換
され、その電気信号にて増幅、平均化処理、温度換算、
パルス光が往復する遅延時間の算出などの処理が施さ
れ、ファイバの長手方向に沿った温度分布が計測され
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＳＮ比は次式のように
光検出器に発生する雑音（ショット雑音と熱雑音との
和）Ｎに対する信号Ｓとの比で決められる。 信号電力は前記（１）式で表されるラマン散乱光の光パ
ワＰｒと光／電気変換係数Ｓの積に依存する量であり、
このＳ・Ｐｒが大きくなるほど信号電力は大きくなる。

【０００８】熱雑音は光信号の大きさに依存しない検出
器の固有の量である。ショット雑音は光信号の大きさに
依存する量であるが、信号電力／ショット雑音の比は光
信号の大きさが大きくなるほど大になる。信号電力と雑
音電力はこのようなふるまいをするので、信号光の大き
さが大きければ大きいほどＳＮは改善される。光信号の
受光レベルを大きくするには次の方法が考えられる。

【０００９】ａ．前記の入射光パワＰｏを大きくする。 ｂ．前記の変換係数ηｒが大きい材料を使う。 ｃ．前記の伝送損失α及びαｒの小さい光ファイバを使
う。 ｄ．前記のパルス幅Ｗを大きくする。 これらのうち、ａおよびｂの方法は次の理由で制約を受
ける。即ち、誘導ラマン散乱が生じる光パワの臨界値Ｐ
ｃは次式のように表されるため、入射光パワＰｏがその
臨界値Ｐｃより大きくなると光ファイバ全長にわたる非
線形効果である誘導ラマン散乱が生じ、局所的な温度変
化を検知できなくなる。変換係数ηｒをいたずらに大き
くするとＧｒも大きくなり、臨界値Ｐｃを下げることに
なる。 ここで、Ａはスポットサイズ、Ｇｒはラマンゲイン、Ｌ
はファイバ長。

【００１０】また、前記ｃの方法で使用する光ファイバ
には、伝送損失の低いファイバ構造であるシングルモー
ドファイバが適するが、シングルモードファイバではス
ポットサイズＡが小さいので臨界値Ｐｃが下がるという
問題がある。

【００１１】前記ｄの方法は距離分解能が悪くなるとい
う問題がある。即ち、パルスの時間的な幅は光ファイバ
中ではある長さに広がった光パルスとして伝搬している
ことに相当する。このためパルス幅をいたずらに広げる
と局所的な温度検知に不向きになるという問題がある。

【００１２】このように、誘導ラマン散乱を発生させな
いで且つ所要の検知距離分解能を得るという制約のもと
で、光信号のレベルを上げる、即ち、ＳＮを上げるには
限界がある。また、通常の光ファイバによる温度計測に
おいては、ラマン散乱信号は非常に微弱で、信号電力は
雑音電力より小さい。このため従来は雑音の中から信号
を抽出し、温度計測を可能ならしめるために、通常は適
切なアベレージングの処理が行われ、ＳＮの改善が施さ
れている。しかし、この方法ではアベレージングに要す
る処理時間のため温度検知の応答が遅くなるという問題
がある。

【００１３】本発明はこのような誘導ラマン散乱が発生
しない条件のもとで、検知距離分解能を損なわずに大き
な受光レベルを実現し、ＳＮを改善したファイバ温度分
布センサを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願発明のうち請求項１
のファイバ温度分布センサは、光ファイバに発生するラ
マン散乱光の温度依存性を利用するファイバ温度分布セ
ンサにおいて、ファイバ１として光が伝搬する複数の独
立したコア２を近接して並列に設けたものを使用し、各
々のコア２に発生するラマン散乱光を共通の一つの受光
器３で受光することを特徴とするものである。

【００１５】本願発明のうち請求項２のファイバ温度分
布センサは、請求項１のファイバ１が共通のクラッド８
内にコア２を複数設けたマルチコアファイバであること
を特徴とするものである。

【００１６】本願発明のうち請求項３のファイバ温度分
布センサは、請求項１のファイバ１が同心円状のリング
形コア２を複数持つファイバであることを特徴とするも
のである。

【００１７】本願発明のうち請求項４のファイバ温度分
布センサは、請求項１のファイバ１が一つのクラッド内
に一つのコア２を持つファイバを複数本束ねたファイバ
束であることを特徴とするものである。

【００１８】

【作用】本願発明のファイバ温度分布センサでは、光フ
ァイバ１の各々のコア２に前記の誘導ラマン散乱が生じ
ない強さの光を入射すると、各々のコア２の入射端には
自然ラマン散乱光が戻ってくる。各々のコア２から取出
される自然ラマン散乱光を適切な光学装置で一つの共通
の受光器３に集光すれば、コア２が一つの場合に比べて
受光レベルは７倍となるため雑音に対する比率（Ｓ／
Ｎ）が向上する。

【００１９】

【実施例１】本発明のファイバ温度分布センサの基本的
な構成原理を図１に示す。図１の１は光ファイバであ
り、これは複数本のコア２が共通のクラッド８の内部に
配置されてなる。この各々のコア２は独立に光波を伝搬
させる機能を有し、互いに光学的な結合、即ち、光エネ
ルギのやり取りがないものである。

【００２０】図１の光ファイバ１は図２の様に他の機器
と組合わせて使用される。図２の５は光源であり、これ
には例えばＬＤ或はＬＤ励起の固体レーザなどが使用さ
れる。

【００２１】図２の４は適切に構成された入出射用の光
学装置である。ここでは動作の原理を説明し易くするた
めレンズ４ａ、４ｂ及び４ｃ、光分岐結合器４ｄにより
構成してある。レンズ４ａは光源５から出た光を平行光
束にするためのものであり、レンズ４ｂは平行光束をフ
ァイバ１の各コア２の端面に集光すると共に各コア２の
端面から出射される後方散乱光を平行光束にするもので
もある。光分岐結合器４ｄは光源５から出た光をファイ
バ１の方向に通過させ、ファイバ１から出た後方散乱光
を受光器３の方向に反射するものである。レンズ４ｃは
光分岐結合器４ｄにより反射された後方散乱光を受光器
３に集光するためのものである。

【００２２】図２の受光器３は後方散乱光に含まれる波
長の異なるストークス光と反ストークス光を弁別するフ
ィルタ及びＡＰＤのような受光素子などから構成され
る。

【００２３】図２の７は信号処理装置であり、これは光
源５を駆動する駆動回路、受光器３から出力される電気
信号を処理する回路、例えば増幅器、アベレージング回
路などから構成されており、また、ファイバ１に沿った
温度分布を出力する機能を有する。

【００２４】図２の光学系において、光源５から出た光
はファイバ１の各々のコア２に分割されて入射される。
各々のコア２に対する光の入射効率は必ずしも最適に構
成されているとは限らない。しかしながら、通常、光源
５の発光強度は一つのコアにのみに入射すると誘導ラマ
ン散乱を生じる程度の強さであるため、機能上問題とな
ることはない。

【００２５】図２のファイバ１からの後方散乱光はレン
ズ４ｃによって一つの受光器３の受光面に集光される。
すなわち、コア２から個別に出射された光は共通の受光
器３の受光面に集光されるので、集光される光の強さは
コア２が一本の場合に比べて加算されることになる。一
方、熱雑音など受光器（受光素子）３に固有の雑音の大
きさは変わらないためＳＮ比が向上する。

【００２６】

【実施例２】本発明のファイバ温度分布センサでは、光
ファイバ１としてコアを同心円状に複数設けたものを使
用することもできる。これによってもＳＮ比が改善され
る。この光ファイバ１の場合はファイバが何らかの事故
で破断した場合接続に適性がある。

【００２７】

【実施例２】本発明のファイバ温度分布センサでは、光
ファイバ１として単一のファイバを複数本束ねたものを
使用することもできる。この場合、マルチコアファイバ
に比べてコアの占積率（単位断面積当たりに占めるコア
の面積）が劣るので、光の入射効率がマルチコアに比べ
て劣る（ＳＮ比の改善が少ない）欠点がある。この欠点
を改善する方法として、複数の光源を用いて、各ファイ
バに独立に光を入射することが有効であった。

【００２８】

【発明の効果】本発明のファイバ温度分布センサは次の
様な効果がある。 ．光が分割されて各々のコア２により伝搬されるの
で、高出力な光を減衰器などでわざわざ減衰させずにそ
のまま各々のコア２に入力させても、温度測定に支障と
なる誘導ラマン散乱が発生しない。 ．高出力の光源を有効に使用できるので、温度情報を
含む信号光の受光レベルが高くなり、ＳＮ比が改善され
る。 ．ＳＮ比が改善されるので温度情報を含む信号光を電
気信号に変換して、電気信号で処理するときの処理が容
易となる。例えば、増幅器の増幅率を大きくする必要が
低減されるとか、ＳＮをさらに改善するための平均化の
処理時間が短くなるなどの利点もある。 ．光パルス幅を狭くできるので、局所的な温度変化を
検知する距離分解能が向上する。 ．応答の早い高精度の測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のファイバ温度分布センサに使用される
マルチコアフィイバの断面図。

【図２】本発明のファイバ温度分布センサの使用説明
図。

【符号の説明】

１ ファイバ ２ コア ３ 受光器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ファイバ１のコア２に発生するラマン散
   乱光の温度依存性を利用するファイバ温度分布センサに
   おいて、ファイバ１として光が伝搬する複数の独立した
   コア２を近接して並列に設けたものを使用し、各々のコ
   ア２に発生するラマン散乱光を共通の一つの受光器３で
   受光することを特徴とするファイバ温度分布センサ。
2. 【請求項２】 請求項１の光ファイバ１が共通のクラッ
   ド８内に複数のコア２を設けたマルチコアファイバであ
   ることを特徴とする請求項１のファイバ温度分布セン
   サ。
3. 【請求項３】 請求項１のファイバ１が同心円状のリン
   グ形コア２を複数持つファイバであることを特徴とする
   請求項１のファイバ温度分布センサ。
4. 【請求項４】 請求項１のファイバ１が一つのクラッド
   内に一つのコア２を持つファイバを複数本束ねたファイ
   バ束であることを特徴とする請求項１のファイバ温度分
   布センサ。