JPH0711458B2 - 光ファイバ式分布形温度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光ファイバ式分布形温度センサに関するもので
ある。

［従来の技術］ 光ファイバ式分布形温度計測方法は、光ファイバ中のラ
マン散乱光やレーリ散乱光等の散乱光強度が温度によっ
て変化することを利用し、この変化を公知のOTDR（Opti
cal time Domain Reflectometry）の手法で検知するこ
とにより、光ファイバの長手方向に沿った温度分布を計
測するものである。

ラマン散乱光を利用した光ファイバ式分布形温度センサ
（以下、単にラマン式温度センサと呼ぶ）の計測概念を
第３図を用い以下に説明する。

光源からパルス光（パルス幅Tw,パルス周期Tp）をセン
サ用光ファイバに導くと、該光ファイバ内でアンチスト
ークス光やストークス光等の後方散乱光（反射光）が励
起され、その一部は計測装置に戻る。この反射光をパル
ス光入射時刻をｔ＝０とし、サンプリング時間間隔Tsで
計測すると、アンチストークス光やストークス光の強度
の時間関数Ia（ｔ）,Is（ｔ）がサンプリング時間間隔T
sの関数として求まる。このとき、これらの比Ia（ｔ）/
Is（ｔ）が純粋に温度の関数であること、及び光パルス
入射後、光ファイバ内の距離Ｘの位置で発生した反射光
が光パルス入射端（反射光光計測部）に戻ってくるまで
の時間が２×X/Coであること（Co;光ファイバ中の光
速）を利用すると、光ファイバの沿った線状の温度分布
が測定できる。

なお、反射光が計測される時間幅Trは２×L/Coであり
（L;光ファイバ長さ）、この時間はTr内の計測値が有効
な温度分布情報を与える。

次に、第４図を用いて、ラマン式温度センサの概要を説
明する。

このラマン式温度センサは、計測装置10とセンサ用光フ
ァイバ20から構成される。光源２からパルス光をセンサ
用光ファイバ20に導くと、該光ファイバ内で後方散乱光
（反射光）が励起され、励起された反射光の一部は計測
装置10側に戻り、光分岐器31、光ファイバ22を介して、
光分岐器32に導かれる。

光分岐器32で二分された反射光のうち、光ファイバ23a
に導かれたものは、アンチストークス光用の光学フィル
タ4a,受光器5a及び平均化処理回路6aで構成されるアン
チストークス光用OTDR計測回路30aに入り、この光強度
からアンチストークス光強度の時間関数Ia（ｔ）が求め
られる。他方、光分岐器32で二分された後方散乱光のう
ち、光ファイバ23sに導かれたものは、ストークス光用
の光学フィルタ4s,受光器５及び平均化処理回路6sで構
成されるストークス光用OTDR計測回路30sに入り、この
光強度からストークス光強度の時間関数Is（ｔ）が求め
られる。パルス光源２と平均化処理回路6a,6sの同期合
せは、トリガ回路１の同期信号によって行い、反射光の
サンプリングは平均化処理回路6a,6s内で、第３図に示
す一定の時間間隔Tsで行われる。

得られた時間関数Ia（ｔ）及びIs（ｔ）を温度分布演算
回路７に入力し、Ia（ｔ）/Is（ｔ）の演算を行うこと
により、センサ用光ファイバに沿った線状温度分布測定
を行っている。

また、平均化処理回路６は、第５図に示すように、A/D
変換回路61、加算器62、メモリ回路63、同期回路64から
構成される。平均化処理は以下のようにして行う。

受光器５から入力されたアナログ量をA/D変換回路61で
ディジタル量に変換し、そのディジタル量とメモリ回路
63に記憶されたディジタル量との和を加算器62で行い、
その結果を再び、メモリ回路63に記憶する。この操作を
パルス周期TPごとに、繰返し行い、最終的にメモリ回路
63に記憶された値を繰返し回数で割ると、入力情報の平
均値が求まる。この平均化処理を行うと、入力情報に含
まれたノイズが除去されるため、温度測定精度は向上す
る。

また、A/D変換回路61、加算器62、メモリ回路63の同期
合わせは同期回路64によって行われている。

このラマン式温度センサは、例えば電力ケーブルに沿わ
せてセンサ用光ファイバを敷設することにより、電力ケ
ーブルの長手方向の温度分布を知ることができ、送電容
量の制御等に利用したり、ケーブルの劣化等により生じ
る部分的に温度の高い箇所の検知等が行なえる。また、
ビルやトンネル等の火災検知用として使用すれば、火災
発生位置の標定を行うこともできる。

［発明が解決しようとする課題］ ラマン式温度センサあるいはレーリ式温度センサは上述
した方法で線状の温度分布が測定できる有望な方式であ
るが、複数個の後方散乱光成分を温度情報として用いる
ため、複数個の処理装置（受光器、平均化処理装置）を
必要とし、装置全体が大形となり、かつ、高価なものに
なるという欠点があった。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を改善し、小
形でかつ安価な光ファイバ式分布形温度センサを提供す
ることにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の光ファイバ式分布形温度センサは、計測系内の
光源からセンサ用光ファイバに光パルスを入射させ、そ
の反射光を該計測系に導き、これら反射光の中からラマ
ン散乱光或いはレーレ散乱光を分離して受光器に導き、
これら反射光の強度をサンプリングして平均化処理し光
ファイバの温度を求めると共に、光パルスの入射時刻と
反射光が測定系へ到達する時刻の差から反射光の発生位
置を求めることにより、温度と位置を同時計測し、該光
ファイバの温度分布を計測する光ファイバ式分布形温度
センサにおいて、前記受光器に前置した複数の入力ポー
トを有する光選択スイッチと、前記反射光の中からラマ
ン散乱光成分であるアンチストークス光とストークス光
或いはレーレ散乱光を分離し前記光選択スイッチの入力
ポートに個別に導く波長分離手段と、該光選択スイッチ
を制御して入力ポートに導かれている光を選択的に時間
順次に前記受光器に入射するよう設定する第１の制御手
段とを備えて構成したものである。

好ましい形態としては、前記光選択スイッチの入力ポー
トとして反射光を入力しない入力ポートを設け、計測系
内で発生する周期性のノイズを反射光を入力したときの
計測値と反射光を入力しないときの計測値の差から除去
する演算手段を設ける。

また、有利な平均化処理形態としては、前記反射光をサ
ンプリングして温度分布情報として得られる必要な一連
の計測データを記憶し、計測を行うごとに、前回行った
計測データと平均する平均化処理回路とする。

更に好ましい形態としては、温度分布情報として得られ
る必要な一連の計測データを記憶し、計測を行うごと
に、前回行った計測データとの差をとることにより、急
激な温度変化を検知する手段を設ける。

また、前記計測系の入力側に複数の入力ポートを有する
別の光選択スイッチを設け、該光選択スイッチの各入力
ポートに複数本のセンサ用光ファイバを接続し、複数本
のセンサ用光ファイバの温度計測を可能とする。

［作用］ 請求項１の光ファイバ式分布形温度センサの構成の場
合、光選択スイッチは第１の制御手段により制御され
て、各入力ポートに個別に導かれているラマン散乱光成
分であるアンチストークス光とストークス光のうちの１
つ或いはこれらとレーレ散乱光の１つを、時間順次に選
択し、計測系の受光器に入射させる。この受光器の出力
をサンプリングし平均化処理して光ファイバの温度を求
めると共に、光パルスの入射時刻と反射光が測定系へ到
達する時刻の差から反射光の発生位置を求めて、光ファ
イバの温度分布を計測する。

これにより、アンチストークス光用計測系，ストークス
光用計測系或いはレーレ散乱光用計測系をそれぞれ専用
に用意する必要がなく、共通の１つの計測系によって光
ファイバの温度分布が計測できる。

請求項２の光ファイバ式分布形温度センサのように、光
選択スイッチの入力ポートとして反射光を入力しない入
力ポートを設け、反射光を入力したときの計測値と反射
光を入力しないときの計測値の差を取ると、計測系内で
発生する周期性のノイズを計測値から除去することがで
きる。

計測系内で発生する周期性ノイズは、トリガ回路、パル
ス光源、平均化処理回路内などで発生したノイズの内、
サンプンリング周期に同期したものが、平均化処理回路
内のA/D変換回路の入力部へ回り込んだものである。こ
のため、周期性ノイズは信号の有無に無関係に発生し、
サンプリング周期に同期したノイズであるため、平均化
処理回数を増しても除去できないものである。

しかし、反射光を入力したときの測定値は、真の反射光
強度と計測系内で発する周期性ノイズとの和であり、他
方の反射光を入力しないときの計測値は、反射光が無い
ために、計測系内で発生する周期性ノイズのみとなって
いる。従って、上記のように両者の差をとることにより
計測系内で発生する周期性ノイズを除去できる。

請求項３の光ファイバ式分布形温度センサは、温度分布
情報として得られる必要な一連の計測データを記憶し、
計測を行うごとに、前回行った計測データと平均し、こ
の処理を繰返す構成であるため、実質的に平均化処理回
数を向上させることができる。

請求項４の光ファイバ式分布形温度形センサのように、
計測を行うごとに前回行った計測データとの差をとるこ
とにより、急激な温度変化を検知し、異常現象を早期に
把握することができる。

請求項５の光ファイバ式分布形温度センサのように、前
記計測系の入力側に別の光選択スイッチを設け、その各
入力ポートに複数本のセンサ用光ファイバを接続する
と、複数本のセンサ用光ファイバの温度計測が可能とな
る。

［実施例］ 以下、本発明による光ファイバ式分布形温度センサの実
施例を第１図により説明する。本実施例による光ファイ
バ式分布形温度センサの基本概念及び構成は、第３図、
第４図に示したものとほぼ同じであり、異なる点は以下
の通りである。

即ち、２組のOTDR計測回路を一組のOTDR計測回路30と
し、この構成を受光器５、平均化処理回路６とした。次
に、光分岐器31,32の代りに光合分波器33を、トリガ回
路１の代わりにコントローラ11を用いた。更に、OTDR計
測回路30と光合分波器33との間に、光選択スイッチ８を
挿入した。この光選択スイッチ８の一方の入力は、光合
分波器33から光ファイバ23aを介して導かれるアンチス
トークス光であり、他方の入力は、光合分波器33から光
ファイバ23sを介して導かれるストークス光である。

光選択スイッチ８は、このアンチストークス光とストー
クス光を切換えて計測するために用いられ、このタイミ
ング調整はコントローラ11によりライン12を介して行
う。コントローラ11の機能としては、この他、パルス光
源２へのトリガ信号の作成、及びOTDR計測回路30や温度
分布演算回路７等のへ同期信号の作成が主なものなって
いる。

次に、本発明による光ファイバ式分布形温度センサの動
作について説明する。

計測装置10内のパルス光源２から出射されたパルス幅T
w,パルス周期Tpの光は、光ファイバ21、光合分波器33を
介し、センサ用光ファイバ20に導かれ、該光ファイバ内
で後方散乱光を励起し、この一部は反射光となって計測
装置10側に戻り、光合分波器33よりアンチストークス光
とストークス光が光ファイバ23a,23sを介して、光選択
スイッチ８のそれぞれの入力ポートに導かれる。

光選択スイッチ８は、コントローラ11からの切換制御信
号により、所定の時刻の到来毎に一定時間幅だけ入力ポ
ートを順次切換え、アンチストークス光とストークス光
を交互に通過させる。これにより、アンチストークス光
を計測する区間とストークス光を計測する区間の２つが
交互に作り出される。

先ず、コントローラ11からの指示により、光スッチ８を
光ファイバ23a側に切換え、アンチストークス光をOTDR
計測回路30の受光器５に入力し、その光強度情報に応じ
た電気的なアナログ信号に変換する。この光強度の電気
信号を平均化処理回路６に入力し、平均化処理する。即
ち、第５図に示した平均化処理回路６内のA/D変換回路6
1で、それぞれ一定の時間間隔Tsでサンプリングし、こ
のディジタル量を加算器62に入力して、前回の計測で求
めた同一時刻に対応した情報に加算し、その結果をメモ
リ回路63に記憶する。この計測をパルス光を出射するご
とに繰返し行うことにより、平均化処理する。

このようにして、アンチストークス光強度の時間関数Ia
（ｔ）が求まり、得られた時間関数Ia（ｔ）の情報が温
度分布演算回路７に入力される。

次に、光選択スイッチ８を光ファイバ23s側に切換え
る。上記と同様にして、ストークス光が受光器５に入っ
て電気信号に変換され、平均化処理回路６内で平均化処
理されて、ストークス光強度の時間関数Is（ｔ）が求め
られる。得られた時間関数Is（ｔ）は、同様に温度分布
演算回路７に入力される。

温度分布演算回路７は、上記時間関数Ia（ｔ）とIs
（ｔ）との比を求める。即ちIa（ｔ）/Is（ｔ）の演算
を行って、センサ用光ファイバ20に沿った線状温度分布
を求める。尚、パルス光源２と、上記平均化処理回路
６、OTDR計測回路30及び温度分布演算回路７間の同期合
せは、コントローラ11から発生される同期信号によって
行われる。

次に、他の実施形態について述べる。

第１図において、光選択スイッチ８の入力ポートとし
て、光を入力しない状態を設け、この状態での計測値を
In（ｔ）とし、別途計測したストークス光強度Is
（ｔ）、アンチストークス光強度Ia（ｔ）との差をそれ
ぞれＩ′ｓ（ｔ）,I′ａ（ｔ）とすると、光ファイバ式
分布形温度計測装置内で発生する周期性ノイズを除去で
きる。即ち、計測装置内では種々のノイズが発生してい
るが、サンプリング時刻に同期しないノイズは平均化処
理回路６で平均化処理することにより除去できるが、同
期したノイズは除去できない。

しかし、これら周期性ノイズは光信号入力の有無に無関
係に一定の時間関数として発生するため、光信号を入力
した状態の計測値（Is（ｔ）,In（ｔ））から、光信号
を入力しない状態の計測値In（ｔ）を差引けば、これら
周期性ノイズ成分を大幅に除去できる。即ち、上記Ｉ′
ｓ（ｔ）、Ｉ′ａ（ｔ）がこの状態に相当し、このよう
にして、求めた計測値はノイズが少ないため、温度を高
精度で計測できる。

尚、光選択スイッチ８は、光分岐器と光フィルタとによ
って、反射光の中からラマン散乱光或いはレーリ散乱光
の中心波長に相当する波長領域の光を分離して受光器に
導く構成とした場合には、この波長分離手段により計測
系内の反射光を受光器に導くまでの経路途中の任意の場
所、即ち、光分岐器の前、光分岐器と各光フィルタとの
間、各光フィルタと受光器との間のいずれかに設けるこ
とができる。

次に第１図において、温度分布演算後、アンチストーク
ス光強度とストークス光強度を温度分布演算回路７に記
憶し、次の計測時に得られたこれらの光強度を、それぞ
れ平均し、求めた平均値から、温度分布を演算すると、
実質的に平均化処理回数を向上したことと等価となるた
め、ノイズを少なくでき、温度を高精度で計測できる。

更に、第１図の温度分布演算回路７において、各計測毎
に温度分布情報を記憶し、次の計測時に得られた温度分
布情報との差を演算すれば、各計測時間内での温度変化
分布を把握でき、この値の大小により、異常な温度上昇
をした場所やその値を早期に検出できる。

また、第２図に示すように、複数本のセンサ用光ファイ
バ20を用意し、センサ用光ファイバ20と計測装置10間に
光切換スイッチ81を設けると、光切換スイッチ81を切換
えることにより、任意のセンサ用光ファイバ20の温度分
布の計測が可能となり、一台の計測装置で多数本の光フ
ァイバ温度分布計測ができる。

上記実施例はいずれもラマン散乱光を温度情報とした光
ファイバ式分布形温度センサを対象としたものである
が、レーリ散乱光とラマン散乱光の組合せを用いた光フ
ァイバ式分布形温度センサにおいても、同様に本発明を
適用することができ、同様な機能を発揮できるものであ
る。

［発明の効果］ 本発明によれば以下の顕著な効果を奏することができ
る。

（１）複数個の散乱光成分の計測を一組の計測装置で対
応できるようにしているため、小型で、かつ、安価な光
ファイバ式分布形温度センサを実現できる。

（２）光パルスを入射させない状態での計測値から、測
定装置内で発生する周期性ノイズを検出し、散乱光計測
値から、周期性ノイズを除去しているため、高精度で温
度分布を計測できる。

（３）各計測ごとに前回の計測値と平均することによ
り、実質的な平均処理回数を上げ、高精度で温度分布を
計測できる。

（４）各計測ごとに前回の計測値との差をとることによ
り、異常な温度上昇値を早期に把握できる。

（５）センサ用光ファイバと測定装置間に光スイッチを
設けることにより、多数のセンサ用光ファイバの温度分
布を一台の測定装置で計測できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光ファイバ式分布形温度センサの構成
例を示す図、第２図は本発明の他の構成例を示す図、第
３図は先に提案されている計測方法の説明図、第４図は
第３図の計測方法による光ファイバ式分布形温度センサ
の構成図、第５図はその平均化処理回路の構成例を示す
図である。 図中、２はパルス光源、５は受光器、６は平均化処理回
路、７は温度分布演算回路、８は光選択スイッチ、10は
計測装置、11はコントローラ、20はセンサ用光ファイ
バ、21,23s,23aは光ファイバ、30はOTDR計測回路を示
す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】計測系内の光源からセンサ用光ファイバに
   光パルスを入射させ、その反射光を該計測系に導き、こ
   れら反射光の中からラマン散乱光或いはレーレ散乱光を
   分離して受光器に導き、これら反射光の強度をサンプリ
   ングして平均化処理し光ファイバの温度を求めると共
   に、光パルスの入射時刻と反射光が測定系へ到達する時
   刻の差から反射光の発生位置を求めることにより、温度
   と位置を同時計測し、該光ファイバの温度分布を計測す
   る光ファイバ式分布形温度センサにおいて、前記受光器
   に前置した複数の入力ポートを有する光選択スイッチ
   と、前記反射光の中からラマン散乱光成分であるアンチ
   ストークス光とストークス光或いはレーレ散乱光を分離
   し前記光選択スイッチの入力ポートに個別に導く波長分
   離手段と、該光選択スイッチを制御して入力ポートに導
   かれている光を選択的に時間順次に前記受光器に入射す
   るよう設定する第１の制御手段とを備えたことを特徴と
   する光ファイバ式分布形温度センサ。
2. 【請求項２】前記光選択スイッチの入力ポートとして反
   射光を入力しない入力ポートを設け、計測系内で発生す
   る周期性のノイズを反射光を入力したときの計測値と反
   射光を入力しないときの計測値の差から除去する演算手
   段を設けたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ
   式分布形温度センサ。
3. 【請求項３】前記反射光をサンプリングして温度分布情
   報として得られる必要な一連の計測データを記憶し、計
   測を行うごとに、前回行った計測データと平均する平均
   化処理回路を有することを特徴とする請求項２記載の光
   ファイバ式分布形温度センサ。
4. 【請求項４】温度分布情報として得られる必要な一連の
   計測データを記憶し、計測を行うごとに、前回行った計
   測データとの差をとることにより、急激な温度変化を検
   知する手段を設けたことを特徴とする請求項３記載の光
   ファイバ式分布形温度センサ。
5. 【請求項５】前記計測系の入力側に複数の入力ポートを
   有する別の光選択スイッチを設け、該光選択スイッチの
   各入力ポートに複数本のセンサ用光ファイバを接続し、
   複数本のセンサ用光ファイバの温度計測を可能としたこ
   とを特徴とする請求項１記載の光ファイバ式分布形温度
   センサ。