JPH0746056B2 - 光学的時間領域反射測定 - Google Patents
光学的時間領域反射測定Info
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- JPH0746056B2 JPH0746056B2 JP61195129A JP19512986A JPH0746056B2 JP H0746056 B2 JPH0746056 B2 JP H0746056B2 JP 61195129 A JP61195129 A JP 61195129A JP 19512986 A JP19512986 A JP 19512986A JP H0746056 B2 JPH0746056 B2 JP H0746056B2
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Classifications
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
- G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
- G01M11/31—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter and a light receiver being disposed at the same side of a fibre or waveguide end-face, e.g. reflectometers
- G01M11/3109—Reflectometers detecting the back-scattered light in the time-domain, e.g. OTDR
-
- G—PHYSICS
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- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/268—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light using optical fibres
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
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- G01D5/35383—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using multiple sensor devices using multiplexing techniques
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
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- G—PHYSICS
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- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
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- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
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Description
【発明の詳細な説明】 背景 本発明は光学的時間領域反射測定(OTDR)に関するもの
であり、さらに特定的にいえば、関心領域全体にわたっ
てのびているオプチカルファイバーの各種の部分を調べ
るのに光学的時間領域反射測定を使用する装置に関する
ものである。感知すべき変数(感知変数)は温度であっ
てよいが、その他の変数を類似技法を使って感知するこ
とができる。オプチカルファイバー感知器は電気的感知
器においておきるような電気的干渉およびスパークの危
険から放免されるかなりの利点を提供できる。分布型オ
プチカルファイバー感知器は、それらオプチカルファイ
バーの全長に沿う多くの別々の点において感知変数の測
定を可能にし、従って、多くの独立的測定を単一装置で
以て行なうことを可能にするので、特に興味がある。
であり、さらに特定的にいえば、関心領域全体にわたっ
てのびているオプチカルファイバーの各種の部分を調べ
るのに光学的時間領域反射測定を使用する装置に関する
ものである。感知すべき変数(感知変数)は温度であっ
てよいが、その他の変数を類似技法を使って感知するこ
とができる。オプチカルファイバー感知器は電気的感知
器においておきるような電気的干渉およびスパークの危
険から放免されるかなりの利点を提供できる。分布型オ
プチカルファイバー感知器は、それらオプチカルファイ
バーの全長に沿う多くの別々の点において感知変数の測
定を可能にし、従って、多くの独立的測定を単一装置で
以て行なうことを可能にするので、特に興味がある。
オプチカルファイバーの分布型感知は英国特許願GB 2 1
22 337において論じられ、またその他の文献(例えば、
第8階のEuropean Conference on Optical Communicati
on,Cannes,1982年,A.H.ハートッグおよびD.N.ペイン;
および、Journal of Lightwave Technology,vol LT−1,
498−509頁,1983年,A.H.ハートッグ)にも示されてい
る。これらの開示においては、オプチカルファイバー通
信リンク中の欠陥検出用に既に開発されている光学的時
間領域反射測定技法を用いるオプチカルファイバーによ
る感知原理が示された。本質的には、ファイバー中へ一
端において進入させそしてファイバー内の案内によって
進入端へ戻される光のパルスの伝播中に散乱された光
が、関心領域の変数(例えば温度)のファイバーに沿う
分布に関する情報を含むことができる、ということが示
された。
22 337において論じられ、またその他の文献(例えば、
第8階のEuropean Conference on Optical Communicati
on,Cannes,1982年,A.H.ハートッグおよびD.N.ペイン;
および、Journal of Lightwave Technology,vol LT−1,
498−509頁,1983年,A.H.ハートッグ)にも示されてい
る。これらの開示においては、オプチカルファイバー通
信リンク中の欠陥検出用に既に開発されている光学的時
間領域反射測定技法を用いるオプチカルファイバーによ
る感知原理が示された。本質的には、ファイバー中へ一
端において進入させそしてファイバー内の案内によって
進入端へ戻される光のパルスの伝播中に散乱された光
が、関心領域の変数(例えば温度)のファイバーに沿う
分布に関する情報を含むことができる、ということが示
された。
GB 2122337Aは液が詰ったファイバーに主として関係し
ており、その場合、散乱損失係数が温度とともに変り、
従って戻りの散乱輻射線の強度を局所温度に従って変化
させる。光パルスの進入と散乱光試料の検出との間の時
間経過はその測定点の位置を与える。しかし、類似の効
果は固体において観察することができ散乱損失の変調か
らだけでなくまた例えばファイバーの開口数の変調から
も得ることができることが発見された。
ており、その場合、散乱損失係数が温度とともに変り、
従って戻りの散乱輻射線の強度を局所温度に従って変化
させる。光パルスの進入と散乱光試料の検出との間の時
間経過はその測定点の位置を与える。しかし、類似の効
果は固体において観察することができ散乱損失の変調か
らだけでなくまた例えばファイバーの開口数の変調から
も得ることができることが発見された。
もう一つの先行特許(GB 2140554A)はOTDRを取扱って
いて、散乱輻射線のスペクトルの中央部分をいわゆる光
学的ダイクロメーターによって別して関心のある二つ
のスペクトル領域、すなわち、いわゆるラマン・ストー
クス線とラマン・反ストークス線とによって占められる
領域のみを残留させるべきであること、を提案してい
る。局所温度はこれらの二つのスペクトル領域における
後方散乱光のそれぞれの光学的強度を比較することによ
って得ることができるといわれている。しかし、この方
法から生ずる最良効果を得るためには、各種のストーク
スおよび反ストークス波長におけるファイバー減衰の間
の差について測定値を補正することが必要である。
いて、散乱輻射線のスペクトルの中央部分をいわゆる光
学的ダイクロメーターによって別して関心のある二つ
のスペクトル領域、すなわち、いわゆるラマン・ストー
クス線とラマン・反ストークス線とによって占められる
領域のみを残留させるべきであること、を提案してい
る。局所温度はこれらの二つのスペクトル領域における
後方散乱光のそれぞれの光学的強度を比較することによ
って得ることができるといわれている。しかし、この方
法から生ずる最良効果を得るためには、各種のストーク
スおよび反ストークス波長におけるファイバー減衰の間
の差について測定値を補正することが必要である。
要約 本発明の一つの側面においては、感知しようとする値を
表わす出力信号をつくり出すのに使用した後方散乱光学
的輻射線をファイバー中の非弾性散乱から生ずる予め選
んだ単一スペクトル線、あるいは、二つの相互に隣り合
うその種のスペクトル線、へ制御することを特徴とす
る、オプチカルファイバーに沿う各種の位置における物
理変数のそれぞれの値を感知する光学的時間領域反射測
定法を提供する。
表わす出力信号をつくり出すのに使用した後方散乱光学
的輻射線をファイバー中の非弾性散乱から生ずる予め選
んだ単一スペクトル線、あるいは、二つの相互に隣り合
うその種のスペクトル線、へ制御することを特徴とす
る、オプチカルファイバーに沿う各種の位置における物
理変数のそれぞれの値を感知する光学的時間領域反射測
定法を提供する。
本発明のもう一つの側面においては、関心領域全体にわ
たって展開するよう適合させたオプチカルファイバー
と、そのファイバーに沿う各種の位置における物理的変
数のそれぞれの値を感知するよう光学的時間領域反射測
定を採用するための遠隔感知手段とから成り、感知しよ
うとする値を表わす出力信号をつくり出すように使用し
た後方散乱光学的輻射線をファイバー中の非弾性散乱か
ら生ずる予め選んだ単一スペクトル線、あるいは二つの
相互に隣り合うその種のスペクトル線、へ制限すること
を保証するよう選択および配置された光学過手段を特
徴とする、分布型感知装置を提供する。
たって展開するよう適合させたオプチカルファイバー
と、そのファイバーに沿う各種の位置における物理的変
数のそれぞれの値を感知するよう光学的時間領域反射測
定を採用するための遠隔感知手段とから成り、感知しよ
うとする値を表わす出力信号をつくり出すように使用し
た後方散乱光学的輻射線をファイバー中の非弾性散乱か
ら生ずる予め選んだ単一スペクトル線、あるいは二つの
相互に隣り合うその種のスペクトル線、へ制限すること
を保証するよう選択および配置された光学過手段を特
徴とする、分布型感知装置を提供する。
本発明の一つの実施例は光学的反射測定を使用するファ
イバー光学感知装置を提供し、ある長さのオプチカルフ
ァイバー(感知用要素)、紫外、可視または赤外の領域
の波長で作動する光学的パルスの源であって、かつその
種のパルスをオプチカルファイバーの少くとも一つの端
の中へ方向指示性結合器を経由して進めるように配置し
た光源、オプチカルファイバーから方向指示性結合器に
よって向けられる後方反射輻射線を検出する検出手段、
後方散乱輻射線の個々のスペクトル成分を分離して単一
のその種の成分だけを検出手段へ到達させる手段、およ
び、検出手段によってつくり出される信号を測定および
分析して感知しようとする変数に関連する出力信号を生
じさせるようにする手段、から成る。
イバー光学感知装置を提供し、ある長さのオプチカルフ
ァイバー(感知用要素)、紫外、可視または赤外の領域
の波長で作動する光学的パルスの源であって、かつその
種のパルスをオプチカルファイバーの少くとも一つの端
の中へ方向指示性結合器を経由して進めるように配置し
た光源、オプチカルファイバーから方向指示性結合器に
よって向けられる後方反射輻射線を検出する検出手段、
後方散乱輻射線の個々のスペクトル成分を分離して単一
のその種の成分だけを検出手段へ到達させる手段、およ
び、検出手段によってつくり出される信号を測定および
分析して感知しようとする変数に関連する出力信号を生
じさせるようにする手段、から成る。
普通には、ただし必ずというわけではないが、感知しよ
うとする変数は温度である。同様に、検出されるスペク
トル成分は通常は反ストークス・ラマン線の一つであ
る。
うとする変数は温度である。同様に、検出されるスペク
トル成分は通常は反ストークス・ラマン線の一つであ
る。
実施例 例示のためにここで付属の図面を参照する。
第1図に描くとおり、光学的輻射線(紫外線、可視線ま
たは赤外線のプローブ・パルスは光源1によって発生
し、適切な送出し用光学系3によって方向指示性結合器
4を経て感知用ファイバー2の一端Aの中にはじめ進入
する。光源1は便宜的には半導体注入レーザーである
が、必ずというわけではない。方向指示性結合器4はオ
プチカルファイバーからつくったデバイス、あるいはビ
ームスプリッターまたは前向伝播光と後向伝播光を分離
する機能を果たす他の何らかの適当な手段とすることが
できる。
たは赤外線のプローブ・パルスは光源1によって発生
し、適切な送出し用光学系3によって方向指示性結合器
4を経て感知用ファイバー2の一端Aの中にはじめ進入
する。光源1は便宜的には半導体注入レーザーである
が、必ずというわけではない。方向指示性結合器4はオ
プチカルファイバーからつくったデバイス、あるいはビ
ームスプリッターまたは前向伝播光と後向伝播光を分離
する機能を果たす他の何らかの適当な手段とすることが
できる。
感知用媒体として用いるファイバー2の種類は関連する
特定の応用に応じてマルチモード、シングルモードある
いはシングル偏光のタイプのいずれかとすることができ
る。
特定の応用に応じてマルチモード、シングルモードある
いはシングル偏光のタイプのいずれかとすることができ
る。
ファイバー2中のプローブ・パルス光のいくらかはファ
イバーの導波管構造によって再補足されかつ進入端Aへ
向けて戻り誘導されるようにファイバー軸から諸角度で
後ろ方向に散乱する。方向指示性結合器4に到達する
と、この戻りの散乱光は選ばれた反ストークス・ラマン
線を通すがスペクトルの残りは阻止する光学フィルター
5へ向けられる。この過用要素は入射輻射線の各種の
スペクトル成分を選択的に反射、吸収、散乱、変向、偏
光あるいは分離するいずれかのデバイスの形態をとるこ
とができる。
イバーの導波管構造によって再補足されかつ進入端Aへ
向けて戻り誘導されるようにファイバー軸から諸角度で
後ろ方向に散乱する。方向指示性結合器4に到達する
と、この戻りの散乱光は選ばれた反ストークス・ラマン
線を通すがスペクトルの残りは阻止する光学フィルター
5へ向けられる。この過用要素は入射輻射線の各種の
スペクトル成分を選択的に反射、吸収、散乱、変向、偏
光あるいは分離するいずれかのデバイスの形態をとるこ
とができる。
フィルター5によって送られる戻り散乱光の部分は光学
的受信器6に到達し、その受信器は便宜的には検出器7
とそれに続いて低ノイズ前置増幅器8、および、恐らく
はその後の増幅と電気的過の段から成ることができ
る。電気信号が次に処理器9へ送られ、処理器はそれか
らファイバー2に一端Aから他端Bへ沿った温度分布を
示す波形の代表的読みの一組をつくり出す。この処理は
好ましくは繰返され、各組の読みから後方散乱波形が平
均され、それら平均値は、この処理器が関係反ストーク
ス・ラマン線の強度の時間依存性を十分な精度まで測定
してしまうまで、温度分布を計算するのに使用されてい
る。処理器9はまた本装置の他の要素、例えば光源1又
は光学フィルター5を制御することができる。
的受信器6に到達し、その受信器は便宜的には検出器7
とそれに続いて低ノイズ前置増幅器8、および、恐らく
はその後の増幅と電気的過の段から成ることができ
る。電気信号が次に処理器9へ送られ、処理器はそれか
らファイバー2に一端Aから他端Bへ沿った温度分布を
示す波形の代表的読みの一組をつくり出す。この処理は
好ましくは繰返され、各組の読みから後方散乱波形が平
均され、それら平均値は、この処理器が関係反ストーク
ス・ラマン線の強度の時間依存性を十分な精度まで測定
してしまうまで、温度分布を計算するのに使用されてい
る。処理器9はまた本装置の他の要素、例えば光源1又
は光学フィルター5を制御することができる。
このようにして、光源1によって発生する光の各々の単
一パルスについて、処理器9は後方散乱光強度の一連の
測定をきわめて短かい時間間隔で行なわせる。理想的に
は、必要とするすべての時間試料は、感知操作速度を増
しかつ光源によって進入させるエネルギーの短期間変動
に基づくノイズの導入を避けるために、各々のレーザー
パルスに従って取得するべきである。けれども、後方散
乱された信号の時間依存性を取得する他の便利な方法は
どれでも使用できる。
一パルスについて、処理器9は後方散乱光強度の一連の
測定をきわめて短かい時間間隔で行なわせる。理想的に
は、必要とするすべての時間試料は、感知操作速度を増
しかつ光源によって進入させるエネルギーの短期間変動
に基づくノイズの導入を避けるために、各々のレーザー
パルスに従って取得するべきである。けれども、後方散
乱された信号の時間依存性を取得する他の便利な方法は
どれでも使用できる。
ファイバー2の端Aの中へパルスを進入させることによ
って得られる結果を平均したのち、この工程を次に繰返
すことが好ましいが、ファイバーの他端Bの中へプロー
ブ・パルスを進入させ、かつその他端Bから戻される散
乱光を検出する。進入端の変更は第1図に描くとおり、
処理器9の制御下に機械的作動器により、あるいは第3
図に描くとおり、各々のファイバー端において測定装置
を二重にすることによって、達成してよい。あるいはま
た、例えば、この機能は機械的ファイバースイッチを使
用し、あるいは電気光学的または音響光学的の変向器を
使って実施してよい。
って得られる結果を平均したのち、この工程を次に繰返
すことが好ましいが、ファイバーの他端Bの中へプロー
ブ・パルスを進入させ、かつその他端Bから戻される散
乱光を検出する。進入端の変更は第1図に描くとおり、
処理器9の制御下に機械的作動器により、あるいは第3
図に描くとおり、各々のファイバー端において測定装置
を二重にすることによって、達成してよい。あるいはま
た、例えば、この機能は機械的ファイバースイッチを使
用し、あるいは電気光学的または音響光学的の変向器を
使って実施してよい。
ファイバーの与えられた部分から戻る散乱パワーとその
部分に入るプローブ・パルスのエネルギーとの比は後方
散乱係数とよぶ。理解されるように、戻されるスペクト
ルの選択された部分について、上述の感知装置が後方散
乱係数に応じて作動して感知変数の空間的分布を推定す
る。
部分に入るプローブ・パルスのエネルギーとの比は後方
散乱係数とよぶ。理解されるように、戻されるスペクト
ルの選択された部分について、上述の感知装置が後方散
乱係数に応じて作動して感知変数の空間的分布を推定す
る。
ファイバーの各端から測定を実施する利点は、ファイバ
ーに沿った温度変動によって引き起こされる信号の変動
をファイバー損失の軸変化によって引き起こされるもの
から分離することが可能になるということである。ファ
イバーの両端から測定され特定位置から戻る後方散乱信
号の幾何平均を計算することによって、伝播損失はすべ
てその効果を除くことができ、被処理信号の長さ依存性
において、後方散乱係数の変化の効果のみ、すなわち、
開口数の変化または関心スペクトル線についての散乱係
数の変化の効果のみ、が残る。開口数の変化は、特別設
計のファイバーを使用しない限り、通常は大きくはな
く、それらの効果はいかなる場合においても前出特許明
細書GB 2122337Aに記載のとおりに除去することができ
る。
ーに沿った温度変動によって引き起こされる信号の変動
をファイバー損失の軸変化によって引き起こされるもの
から分離することが可能になるということである。ファ
イバーの両端から測定され特定位置から戻る後方散乱信
号の幾何平均を計算することによって、伝播損失はすべ
てその効果を除くことができ、被処理信号の長さ依存性
において、後方散乱係数の変化の効果のみ、すなわち、
開口数の変化または関心スペクトル線についての散乱係
数の変化の効果のみ、が残る。開口数の変化は、特別設
計のファイバーを使用しない限り、通常は大きくはな
く、それらの効果はいかなる場合においても前出特許明
細書GB 2122337Aに記載のとおりに除去することができ
る。
第5(a)図と第5(b)図は、実質的には上述のとお
りの本発明の具体化によって1kmよりも長いファイバー
に沿って得られた温度分布をそれぞれ示している。この
実際的な例においては、光源1は約1.5Wで作動するワイ
ドコンタクトのGaAl As半導体レーザーであった。プロ
ーブ・パルスは数nmの帯域幅をもち、854nmの波長に中
心があり、パルス幅は40nsであり、パルス繰返し率は4k
Hzであった。この感知装置の総体的空間解像度は約7.5m
であり、描かれた結果は各の方向において105パルスに
わたって平均することによって得られた。この場合、使
用した反ストークス・ラマン線は854nmの入射波長から
約31nm(440cm-1)だけずれた。使用光学フィルター5
は半ピーク値において約10nmの通過帯域幅をもちかつプ
ローブ・パルス波長の良好な除波(代表的にはプローブ
・パルス波長、854nm、において0.01%またはそれ以下
の最大透過率)を行なう干渉フィルターであった。
りの本発明の具体化によって1kmよりも長いファイバー
に沿って得られた温度分布をそれぞれ示している。この
実際的な例においては、光源1は約1.5Wで作動するワイ
ドコンタクトのGaAl As半導体レーザーであった。プロ
ーブ・パルスは数nmの帯域幅をもち、854nmの波長に中
心があり、パルス幅は40nsであり、パルス繰返し率は4k
Hzであった。この感知装置の総体的空間解像度は約7.5m
であり、描かれた結果は各の方向において105パルスに
わたって平均することによって得られた。この場合、使
用した反ストークス・ラマン線は854nmの入射波長から
約31nm(440cm-1)だけずれた。使用光学フィルター5
は半ピーク値において約10nmの通過帯域幅をもちかつプ
ローブ・パルス波長の良好な除波(代表的にはプローブ
・パルス波長、854nm、において0.01%またはそれ以下
の最大透過率)を行なう干渉フィルターであった。
第7図は、複数個のオプチカルファイバー端A1,B1,
A2,B2,…,An,Bnをただ一組の端末設備(処理器、光
源、受信器など)を使って処理できる本発明の実施例を
描いている。これを達成するには、一つのファイバーか
ら別のファイバーへ切替えるための機械的または光学的
多重化手段14を入ってくる輻射線と複数個のファイバー
端A1,B1,…,An,Bn、との間に設ける。この多重化手
段14はファイバースイッチの形態をとることができ、そ
れは処理器9の制御下でリニアモーターによって二つの
横方向で可動のファイバーの部分15から成る。このよう
なファイバースイッチは西独ハンブルグのヨーク・ハン
ブルグ・センサー社から「MS−1マルチポジション・オ
プチカル・ファイバー・スイッチ」の名称で入手でき
る。このファイバースイッチへ送られる制御信号MPXに
従い、ファイバー部分15は選択されるファイバー端と一
線に並んで接するよう移動させることができる。ファイ
バー端は反射防止コートを施し、あるいは屈折率整合液
中に浸して反射を減らしてよい。このようにして、端末
設備を多くの別々の感知用ファイバーの間で共有するこ
とが可能であり、この端末設備はこの種の感知システム
の総コストの大きい部分を示すものと考えられるもので
ある。例えば、次に感知用ファイバーを二重にすること
が考えられるようになり、このことは感知用要素の重複
による追加の信頼性を与える。もし処理器がファイバー
の破損を検出できる場合には、この種の配列は破損時も
安全な操作方法を提供できる。
A2,B2,…,An,Bnをただ一組の端末設備(処理器、光
源、受信器など)を使って処理できる本発明の実施例を
描いている。これを達成するには、一つのファイバーか
ら別のファイバーへ切替えるための機械的または光学的
多重化手段14を入ってくる輻射線と複数個のファイバー
端A1,B1,…,An,Bn、との間に設ける。この多重化手
段14はファイバースイッチの形態をとることができ、そ
れは処理器9の制御下でリニアモーターによって二つの
横方向で可動のファイバーの部分15から成る。このよう
なファイバースイッチは西独ハンブルグのヨーク・ハン
ブルグ・センサー社から「MS−1マルチポジション・オ
プチカル・ファイバー・スイッチ」の名称で入手でき
る。このファイバースイッチへ送られる制御信号MPXに
従い、ファイバー部分15は選択されるファイバー端と一
線に並んで接するよう移動させることができる。ファイ
バー端は反射防止コートを施し、あるいは屈折率整合液
中に浸して反射を減らしてよい。このようにして、端末
設備を多くの別々の感知用ファイバーの間で共有するこ
とが可能であり、この端末設備はこの種の感知システム
の総コストの大きい部分を示すものと考えられるもので
ある。例えば、次に感知用ファイバーを二重にすること
が考えられるようになり、このことは感知用要素の重複
による追加の信頼性を与える。もし処理器がファイバー
の破損を検出できる場合には、この種の配列は破損時も
安全な操作方法を提供できる。
散乱係数または補足分数(capture fraction)のいずれ
かの長さ方向の温度非依存性の変数のようなファイバー
中の本来的にある欠陥の影響もまた、既知温度分布で以
てファイバーを設置前に校正することによって除くこと
ができる。感知器は次に校正時に測定したものとの後方
散乱係数のずれを測定する。これらのずれは処理器によ
り、後方散乱係数の表にされた温度による変動(関心ス
ペクトル線について)に関して、あるいは光源と選択し
たスペクトル線との間の周波数のずれを経て絶対温度を
強度へ関係づける理論モデルに関して、解釈される。フ
ァイバーに沿った与えられた位置についての校正関数が
第4図に示されており、その中においては、反ストーク
ス線について測定した後方散乱パワーは、上述概説の実
際例において使用する條件について代表的に100pwであ
るときに、室温(297K)において1へ基準化されてい
る。
かの長さ方向の温度非依存性の変数のようなファイバー
中の本来的にある欠陥の影響もまた、既知温度分布で以
てファイバーを設置前に校正することによって除くこと
ができる。感知器は次に校正時に測定したものとの後方
散乱係数のずれを測定する。これらのずれは処理器によ
り、後方散乱係数の表にされた温度による変動(関心ス
ペクトル線について)に関して、あるいは光源と選択し
たスペクトル線との間の周波数のずれを経て絶対温度を
強度へ関係づける理論モデルに関して、解釈される。フ
ァイバーに沿った与えられた位置についての校正関数が
第4図に示されており、その中においては、反ストーク
ス線について測定した後方散乱パワーは、上述概説の実
際例において使用する條件について代表的に100pwであ
るときに、室温(297K)において1へ基準化されてい
る。
空間解像度、すなわち、温度変化の最大振幅の10%と90
%とに相当する点の間で測定するときに、急な(段階状
の)温度変化がひろがると見えるファイバーの長さ、は
進入するパルスの幅と用いる処理回路の帯域幅との両方
によって制限される。さらに、この処理回路は受信器に
よって発生される電気信号を、ファイバー中の関心の隣
接点に相当して、十分に接近した時間間隔で試料採取す
ることができねばならない。ファイバーから独立の読み
を得るために、少なくとも二つの空間解像度に相当する
距離は関心の隣接点の間で与えられねばならない。シス
テムの有効な空間解像度はファイバーのコイルを巻いて
関心の多くの個別の点を看視することによって改善でき
る。すなわち、ファイバーのある部分を空間解像度のお
およそ2倍またはそれより大きい長さをもつコイルを形
成するよう巻く場合には、その部分は、ファイバーの隣
接部分における感知変数値と独立である位置において感
知変数の明白な測定値を提供する。
%とに相当する点の間で測定するときに、急な(段階状
の)温度変化がひろがると見えるファイバーの長さ、は
進入するパルスの幅と用いる処理回路の帯域幅との両方
によって制限される。さらに、この処理回路は受信器に
よって発生される電気信号を、ファイバー中の関心の隣
接点に相当して、十分に接近した時間間隔で試料採取す
ることができねばならない。ファイバーから独立の読み
を得るために、少なくとも二つの空間解像度に相当する
距離は関心の隣接点の間で与えられねばならない。シス
テムの有効な空間解像度はファイバーのコイルを巻いて
関心の多くの個別の点を看視することによって改善でき
る。すなわち、ファイバーのある部分を空間解像度のお
およそ2倍またはそれより大きい長さをもつコイルを形
成するよう巻く場合には、その部分は、ファイバーの隣
接部分における感知変数値と独立である位置において感
知変数の明白な測定値を提供する。
この散乱過程は各種の現象を含んでおり、それらはすべ
て屈折率の局所的変動と関係しており、それに関する術
語は多年にわたって変化してきた。明瞭化のために、レ
イリー散乱は本発明においては、プローブ・パルスと同
じ波長でありかつ入射光の波長と比べて小さい長さの尺
度での屈折率の変動によって引き起こされる散乱スペク
トルのスペクトル線のことをいう。対照的に、散乱光の
ブリュアンおよびラマンスペクトル線はプローブ波長に
関してずれ、これらの線は非弾性散乱過程から生ずる。
ブリュアン線は光波と、音響的波長がプローブ・パルス
の光学的波長と類似である音波との衝突の際に発生す
る。二つの後方散乱したブリュアン線がオプチカルファ
イバー中で通常観察され、これらは代表的にはプローブ
波長に関してほぼ27GHzだけずれる(633nmの波長のプロ
ーブ・パルスについてシリカ中で)。これらの線のうち
一つ(反ストークス・ブリュアン線)はこの衝突過程に
おいてエネルギーを取得し従って波長がより短かい散乱
光を含む。第二のブリュアン線(ストークス線)は等し
い周波数のずれによってより長波長へずれる。
て屈折率の局所的変動と関係しており、それに関する術
語は多年にわたって変化してきた。明瞭化のために、レ
イリー散乱は本発明においては、プローブ・パルスと同
じ波長でありかつ入射光の波長と比べて小さい長さの尺
度での屈折率の変動によって引き起こされる散乱スペク
トルのスペクトル線のことをいう。対照的に、散乱光の
ブリュアンおよびラマンスペクトル線はプローブ波長に
関してずれ、これらの線は非弾性散乱過程から生ずる。
ブリュアン線は光波と、音響的波長がプローブ・パルス
の光学的波長と類似である音波との衝突の際に発生す
る。二つの後方散乱したブリュアン線がオプチカルファ
イバー中で通常観察され、これらは代表的にはプローブ
波長に関してほぼ27GHzだけずれる(633nmの波長のプロ
ーブ・パルスについてシリカ中で)。これらの線のうち
一つ(反ストークス・ブリュアン線)はこの衝突過程に
おいてエネルギーを取得し従って波長がより短かい散乱
光を含む。第二のブリュアン線(ストークス線)は等し
い周波数のずれによってより長波長へずれる。
対照的に、ラマン散乱線はプローブ波長に関してはるか
に大きい周波数ずれだけずれそれらのずれはファイバー
物質中に存在する各種分子振動の特徴である。これらの
線は比較的単純な光学的配置を使ってスペクトルの残り
のものから分離できる。実際には、ラマン散乱線は一般
的にブロードである。例えば、SiO2の反ストークス・ラ
マン線は、そのピークは入射輻射線に関して約440cm-1
だけずれるが、約200cm-1から520cm-1にわたってひろが
るブロード帯域の一部である。そのような場合には、使
用するラマン線の有効な位置と幅は、ラマンスペクトル
自体よりも感知用配置において用いるフィルターの特性
によってより多く決定する。
に大きい周波数ずれだけずれそれらのずれはファイバー
物質中に存在する各種分子振動の特徴である。これらの
線は比較的単純な光学的配置を使ってスペクトルの残り
のものから分離できる。実際には、ラマン散乱線は一般
的にブロードである。例えば、SiO2の反ストークス・ラ
マン線は、そのピークは入射輻射線に関して約440cm-1
だけずれるが、約200cm-1から520cm-1にわたってひろが
るブロード帯域の一部である。そのような場合には、使
用するラマン線の有効な位置と幅は、ラマンスペクトル
自体よりも感知用配置において用いるフィルターの特性
によってより多く決定する。
第2図は後方散乱光中に存在する各種スペクトル線を描
くものである。固体中の非弾性的散乱光の強度が通常は
弾性的散乱光よりも温度に対して敏感であることが発見
されており、事実、GB 2122337Aの従来法の配置におけ
る感度への実質的寄与は非弾性的散乱成分に基づいてい
たと思われる。
くものである。固体中の非弾性的散乱光の強度が通常は
弾性的散乱光よりも温度に対して敏感であることが発見
されており、事実、GB 2122337Aの従来法の配置におけ
る感度への実質的寄与は非弾性的散乱成分に基づいてい
たと思われる。
反ストークス線のようなただ一つの非弾性的散乱線を選
択使用することは、従来法の配置(この場合には反スト
ークス線とストークス線の強度間の比較が用いられる)
よりも、感知しようとする異なる波長間のいかなる減衰
差に対しても測定がもはや敏感でないという利点をもっ
ている。反ストークスおよびストークスの強度比の測定
に基づくシステムと比較して、そのデバイスの温度に対
する感度において有用な利得がまた存在する。何故なら
ば、その種の線のそれぞれの強度は温度の関数として、
同じ意味で変動することが見出されているからである。
その上、光源の放出波長におけるドリフトに対するデバ
イスの寄生感度(これは測定誤差の重大原因を提供し得
る)はこの方式で、ストークス線および反ストークス線
の両者の場合と比較して減らすことができる。さらに、
ただ一つの過波長のみを必要とするだけであるので、
その過は単純な光学的帯域フィルターの形を取っても
よく、それは従来用いられたグレーティング・ダイクロ
メーター(grating dichrometer)よりも単純でかつ丈
夫な配列を提供するものである。
択使用することは、従来法の配置(この場合には反スト
ークス線とストークス線の強度間の比較が用いられる)
よりも、感知しようとする異なる波長間のいかなる減衰
差に対しても測定がもはや敏感でないという利点をもっ
ている。反ストークスおよびストークスの強度比の測定
に基づくシステムと比較して、そのデバイスの温度に対
する感度において有用な利得がまた存在する。何故なら
ば、その種の線のそれぞれの強度は温度の関数として、
同じ意味で変動することが見出されているからである。
その上、光源の放出波長におけるドリフトに対するデバ
イスの寄生感度(これは測定誤差の重大原因を提供し得
る)はこの方式で、ストークス線および反ストークス線
の両者の場合と比較して減らすことができる。さらに、
ただ一つの過波長のみを必要とするだけであるので、
その過は単純な光学的帯域フィルターの形を取っても
よく、それは従来用いられたグレーティング・ダイクロ
メーター(grating dichrometer)よりも単純でかつ丈
夫な配列を提供するものである。
光源のエネルギーと波長における起こり得る長時間変化
を検出し補正するためには、これらの両者を直接または
間接に看視することが望ましい。第3図に描くとおり、
一つの可能性はファイバーの一つまたは一つより多くの
短い基準部分(11A,11B)を組入れこれらを温度調節し
た室12の中で一定で既知の温度に保つことである。
を検出し補正するためには、これらの両者を直接または
間接に看視することが望ましい。第3図に描くとおり、
一つの可能性はファイバーの一つまたは一つより多くの
短い基準部分(11A,11B)を組入れこれらを温度調節し
た室12の中で一定で既知の温度に保つことである。
フィルター5Aと5Bを用いるこの基準部分の看視は感知デ
バイスの処理器9に準連続的方式で校正を検査させ、従
って、例えば光源の波長変化(これはその感知システム
の校正を変える)を検出および補正することを保証す
る。この基準ファイバーは感知用ファイバーと直列に置
く必要はなく、基準ファイバーが例えば測定位置の中へ
切替えられる並列形態も考えられる。
バイスの処理器9に準連続的方式で校正を検査させ、従
って、例えば光源の波長変化(これはその感知システム
の校正を変える)を検出および補正することを保証す
る。この基準ファイバーは感知用ファイバーと直列に置
く必要はなく、基準ファイバーが例えば測定位置の中へ
切替えられる並列形態も考えられる。
光源波長もまた、例えば走査スペクトロメーターの配列
によって、直接看視することができる。
によって、直接看視することができる。
第3図から、フィルター5Aと5Bの取外し(あるいは光学
的減衰器による置換え)の用意がこの配列中でなされて
いて、この検出用デバイスが感知する全波長における後
方散乱合計信号の測定を可能とするようにしていること
が見られる。基準部分中の後方散乱信号合計の測定(す
なわち、過を行わない)はレーザーによって進入させ
たエネルギーに比例する信号を与え、それがその後の正
規化を与える。事実、ファイバー全体にわたって測定し
た合計の後方散乱信号はこの正規化過程において使用で
きてファイバーに沿った直径変化および物質組成変動の
ような影響について補正することができる。後方散乱信
号合計の看視は別にまた散乱信号のサンプルが過を行
なわずに向けられる追加の検出用配列によって実施する
ことができ、そのようなサンプルは例えばビームスプリ
ッター配列からかあるいはフィルターからの反射から誘
導される。
的減衰器による置換え)の用意がこの配列中でなされて
いて、この検出用デバイスが感知する全波長における後
方散乱合計信号の測定を可能とするようにしていること
が見られる。基準部分中の後方散乱信号合計の測定(す
なわち、過を行わない)はレーザーによって進入させ
たエネルギーに比例する信号を与え、それがその後の正
規化を与える。事実、ファイバー全体にわたって測定し
た合計の後方散乱信号はこの正規化過程において使用で
きてファイバーに沿った直径変化および物質組成変動の
ような影響について補正することができる。後方散乱信
号合計の看視は別にまた散乱信号のサンプルが過を行
なわずに向けられる追加の検出用配列によって実施する
ことができ、そのようなサンプルは例えばビームスプリ
ッター配列からかあるいはフィルターからの反射から誘
導される。
これまでに述べた配列は、処理器によってつくられる読
みの各組について単一パルスだけを提供した。ある環境
においては(特に極度に高い空間解像度が必要とされる
場合には)、幅または間隔または振幅を変えた、あるい
はある方式でコード化された一系列のパルスを進入させ
ることが有利であるかもしれない。検出後に、パルスの
コード化または変調の知識を使って散乱戻りの時間変動
の詳細を検索する。その限度内で、パルス化光源を使用
しないで、既知の方式で周波数が帰られる連続波動信号
で以て光源の強度を変調することも可能である。例え
ば、光源が半導体レーザーダイオードであるばあい、そ
の強度は光源中を通る駆動電流を変えることによって変
調させることができる。これらの試みは、レーザー分野
および/またはオプチカルファイバーのリンク中の障害
点発見の分野において用いられる技法(擬似ランダムコ
ーティング、パルス圧縮コーディング、光学的周波数領
域反射測定あるいはFMCW、としていろいろに知られてい
る)と類似であると見做せる。それらは単一パルス時間
領域法と等価であるが、ある場合には受信器出力におけ
る信号対ノイズ比の改善に通じ、従って測定精度または
測定時間の改善に通じ得る。
みの各組について単一パルスだけを提供した。ある環境
においては(特に極度に高い空間解像度が必要とされる
場合には)、幅または間隔または振幅を変えた、あるい
はある方式でコード化された一系列のパルスを進入させ
ることが有利であるかもしれない。検出後に、パルスの
コード化または変調の知識を使って散乱戻りの時間変動
の詳細を検索する。その限度内で、パルス化光源を使用
しないで、既知の方式で周波数が帰られる連続波動信号
で以て光源の強度を変調することも可能である。例え
ば、光源が半導体レーザーダイオードであるばあい、そ
の強度は光源中を通る駆動電流を変えることによって変
調させることができる。これらの試みは、レーザー分野
および/またはオプチカルファイバーのリンク中の障害
点発見の分野において用いられる技法(擬似ランダムコ
ーティング、パルス圧縮コーディング、光学的周波数領
域反射測定あるいはFMCW、としていろいろに知られてい
る)と類似であると見做せる。それらは単一パルス時間
領域法と等価であるが、ある場合には受信器出力におけ
る信号対ノイズ比の改善に通じ、従って測定精度または
測定時間の改善に通じ得る。
ファイバーの両端の中へそれぞれ進入させたパルスで以
て測定することの望ましさに関し、ある状況下では、二
つのファイバー端が同じ位置に置かれることは不便であ
る。この問題は、各端からの測定を実施するのに十分な
設備の一部を二重にしその設備の各部をある形態の通信
チャンネルによって連結し、各端から得られる情報を組
合せ得るようにすることによって解決できる。
て測定することの望ましさに関し、ある状況下では、二
つのファイバー端が同じ位置に置かれることは不便であ
る。この問題は、各端からの測定を実施するのに十分な
設備の一部を二重にしその設備の各部をある形態の通信
チャンネルによって連結し、各端から得られる情報を組
合せ得るようにすることによって解決できる。
あるいはまた、単一ファイバー端Aのみを使用し、他端
Bを第6図の13で線図的に描くとおり、高度反射性にす
る。この配置においては、はじめに受信される信号は反
射体を置かないで測定された信号と同等である。ファイ
バー中に周遊に等しい時間後においてはしかし、第二の
後方散乱波形が観察され、それの時間依存性は、あたか
もそのファイバーの反射製端Bから直接に測定されたの
如く、実質的に同じである。
Bを第6図の13で線図的に描くとおり、高度反射性にす
る。この配置においては、はじめに受信される信号は反
射体を置かないで測定された信号と同等である。ファイ
バー中に周遊に等しい時間後においてはしかし、第二の
後方散乱波形が観察され、それの時間依存性は、あたか
もそのファイバーの反射製端Bから直接に測定されたの
如く、実質的に同じである。
端Bにおけるその種の反射の結果として、その光学的信
号はそのファイバー中で追加的距離を移動し、従ってよ
り重度に減衰される。この設備は従って測定が量ファイ
バー端で直接的に行なわれる場合よりも良好なダイナミ
ックレンジをもつことが要求される。ファイバー中へ進
入させるパワーと受信器感度を改善することができない
と仮定すると、追加の信号平均比が要求され、それは感
知器出力を更新できる速度を落とす。しかし、各端から
測定される波形の組合わせは、遠隔端信号の寄与が、戻
り信号から後方散乱係数を誘導するのに使用される局部
減衰の値に対し小さくてゆっくり変化する補正を行なう
ことであるにすぎないような方式で行なうことができ
る。進入端測定値からよりも多くの遠隔端からの測定値
を平均し、更新速度を実質的に落とさないことが可能で
あるべきである。換言すれば、二つの端からの情報を、
遠隔端測定について要求される正確さが(ここでは一次
の)近端測定の正確さと比べ低いような方式で処理する
ことが可能である。
号はそのファイバー中で追加的距離を移動し、従ってよ
り重度に減衰される。この設備は従って測定が量ファイ
バー端で直接的に行なわれる場合よりも良好なダイナミ
ックレンジをもつことが要求される。ファイバー中へ進
入させるパワーと受信器感度を改善することができない
と仮定すると、追加の信号平均比が要求され、それは感
知器出力を更新できる速度を落とす。しかし、各端から
測定される波形の組合わせは、遠隔端信号の寄与が、戻
り信号から後方散乱係数を誘導するのに使用される局部
減衰の値に対し小さくてゆっくり変化する補正を行なう
ことであるにすぎないような方式で行なうことができ
る。進入端測定値からよりも多くの遠隔端からの測定値
を平均し、更新速度を実質的に落とさないことが可能で
あるべきである。換言すれば、二つの端からの情報を、
遠隔端測定について要求される正確さが(ここでは一次
の)近端測定の正確さと比べ低いような方式で処理する
ことが可能である。
類似の処理はまた第1図と第3図の配置のような非反射
型配置において有利に使用できる。
型配置において有利に使用できる。
もう一つの可能性は、二つのファイバーが同じジャケッ
ト内でかつ近接した熱的接触状態で互に並んでケーブル
化され、その遠隔端において一緒に継ぎ合わされる(す
なわち端対端の融着)ことである。一本のファイバーの
両端から効果的に測定を行なうその種の方法は、実際に
おけるその種の感知用ファイバーの配備に関して存在す
る制約を克服するのに役立つ。
ト内でかつ近接した熱的接触状態で互に並んでケーブル
化され、その遠隔端において一緒に継ぎ合わされる(す
なわち端対端の融着)ことである。一本のファイバーの
両端から効果的に測定を行なうその種の方法は、実際に
おけるその種の感知用ファイバーの配備に関して存在す
る制約を克服するのに役立つ。
与えられた反ストークス・ラマン線における強度は周波
数のずれの増加とともに減少し、一方、感度対温度(す
なわち、絶対温度へ正規化した温度に関する強度の導関
数)は増加する。従って、感知デバイスの操作のため
に、関心温度範囲について特に適切である反ストークス
・ラマン線を選ぶことが可能でありかつ有利である。例
えば、高シリカ・ガラスでつくったファイバーにおいて
は、反ストークス線の一つは入射輻射線に関してほぼ44
0cm-1だけずれ、この線は300K近辺の広い範囲の温度に
おいて特に有用である。きわめて高い温度においては、
感度を増すためにはより大きいずれをもつ反ストークス
線を選ぶ方がよい。そのような線がファイバーラマンス
ペクトル中で自然に存在しない場合には、特別の添加剤
を組入れてよい。例えば、シリカへのP2O5またはB2O3の
添加はラマンのずれが増したスペクトル線を生ずる。対
照的に、極度の低温においては、各ラマン反ストークス
線の強度は急速に落ち、周波数ずれがより小さい線の選
択が極低温操作にとって有利である。
数のずれの増加とともに減少し、一方、感度対温度(す
なわち、絶対温度へ正規化した温度に関する強度の導関
数)は増加する。従って、感知デバイスの操作のため
に、関心温度範囲について特に適切である反ストークス
・ラマン線を選ぶことが可能でありかつ有利である。例
えば、高シリカ・ガラスでつくったファイバーにおいて
は、反ストークス線の一つは入射輻射線に関してほぼ44
0cm-1だけずれ、この線は300K近辺の広い範囲の温度に
おいて特に有用である。きわめて高い温度においては、
感度を増すためにはより大きいずれをもつ反ストークス
線を選ぶ方がよい。そのような線がファイバーラマンス
ペクトル中で自然に存在しない場合には、特別の添加剤
を組入れてよい。例えば、シリカへのP2O5またはB2O3の
添加はラマンのずれが増したスペクトル線を生ずる。対
照的に、極度の低温においては、各ラマン反ストークス
線の強度は急速に落ち、周波数ずれがより小さい線の選
択が極低温操作にとって有利である。
選ばれるラマン線の強度を増すようファイバー組成を帰
ることもまた可能である。例えば、GeO2は、大きいラマ
ン断面とシリカについての波長ときわめて近接した波長
の反ストークス・ラマン線をもつが、ファイバーの組成
中に組込んでよい。しかし、あまり多すぎるGeO2の添加
は許容できない損失をもたらす。
ることもまた可能である。例えば、GeO2は、大きいラマ
ン断面とシリカについての波長ときわめて近接した波長
の反ストークス・ラマン線をもつが、ファイバーの組成
中に組込んでよい。しかし、あまり多すぎるGeO2の添加
は許容できない損失をもたらす。
ファイバー、特にマルチモードファイバーとして知られ
るタイプのファイバーの基本構造に関しては、コア直径
の増加はより大きい入力の使用を可能にすることができ
る。また、ファイバーによって再捕捉される散乱光の割
合を増すよう、ファイバーはより大きい開口数をもつよ
う設計してもよいが、しかしこのことはまた、開口数の
増加がそのファイバーの有効な光学的帯域幅の減少と関
連する傾向があるという事実に対して均衡をとらねばな
らない。
るタイプのファイバーの基本構造に関しては、コア直径
の増加はより大きい入力の使用を可能にすることができ
る。また、ファイバーによって再捕捉される散乱光の割
合を増すよう、ファイバーはより大きい開口数をもつよ
う設計してもよいが、しかしこのことはまた、開口数の
増加がそのファイバーの有効な光学的帯域幅の減少と関
連する傾向があるという事実に対して均衡をとらねばな
らない。
ブリュアン散乱信号もまた感温的である。この場合、周
波数と強度はともに温度とともに変り、どちらかまたは
両方ともに本発明を具体化する分布型感知器の基礎を形
成するのに使用できる。室温においては、反ストークス
およびストークス・ブリュアン線は強度においてほとん
ど等しく、かつほとんど同じ情報を含む。従って、この
二つの線は一緒に加えて温度に関する情報を提供し、そ
れによって信号対ノイズ比をわずかに改善することがで
きる。
波数と強度はともに温度とともに変り、どちらかまたは
両方ともに本発明を具体化する分布型感知器の基礎を形
成するのに使用できる。室温においては、反ストークス
およびストークス・ブリュアン線は強度においてほとん
ど等しく、かつほとんど同じ情報を含む。従って、この
二つの線は一緒に加えて温度に関する情報を提供し、そ
れによって信号対ノイズ比をわずかに改善することがで
きる。
ブリュアン散乱光は極低温において特に有用であり、何
故ならば、ブリュアン強度はこの領域の温度とともによ
り一致して変るからであり、そして、入手できる信号は
この領域においてラマン信号よりも高く、従って処理器
により良好な信号対ノイズ比を与えることができる。
故ならば、ブリュアン強度はこの領域の温度とともによ
り一致して変るからであり、そして、入手できる信号は
この領域においてラマン信号よりも高く、従って処理器
により良好な信号対ノイズ比を与えることができる。
このような目的に対する適当な光学的フィルターはファ
ブリーペロットのエタロンあるいはファイバーリング干
渉計とすることができる。ブリュアン散乱光から有用情
報を得るためには、特に狭い線幅(好ましくは5 GHz FW
HMより小さい)と安定な操作周波数とをもつ光源を使用
することが必要である。例えば、適当な外部変調をもつ
ヘリウム−ネオンレーザーあるいは狭い線幅の半導体レ
ーザーを使用することができる。
ブリーペロットのエタロンあるいはファイバーリング干
渉計とすることができる。ブリュアン散乱光から有用情
報を得るためには、特に狭い線幅(好ましくは5 GHz FW
HMより小さい)と安定な操作周波数とをもつ光源を使用
することが必要である。例えば、適当な外部変調をもつ
ヘリウム−ネオンレーザーあるいは狭い線幅の半導体レ
ーザーを使用することができる。
本発明の実施例は最も普通には後方散乱光スペクトルの
単一のラマンまたはブリュアン線(ストークスか反スト
ークスかのいずれか)から成る光に基づいて作動するけ
れども、ある場合には、本発明の実施例における測定の
基礎を相互に密接に隣り合う二つのその種のスペクトル
線に置くことが可能でありかつ有利であるかもしれな
い。しかし、一般的には、最良の結果は反ストークス・
ラマン線で得られるはずである。この線で以て得られる
温度感知性は100Kにおけるストークス・ラマン線につい
てよりも代表的には約650倍大きく、室温において10倍
大きく、600Kにおいてなおも約3倍大きい。
単一のラマンまたはブリュアン線(ストークスか反スト
ークスかのいずれか)から成る光に基づいて作動するけ
れども、ある場合には、本発明の実施例における測定の
基礎を相互に密接に隣り合う二つのその種のスペクトル
線に置くことが可能でありかつ有利であるかもしれな
い。しかし、一般的には、最良の結果は反ストークス・
ラマン線で得られるはずである。この線で以て得られる
温度感知性は100Kにおけるストークス・ラマン線につい
てよりも代表的には約650倍大きく、室温において10倍
大きく、600Kにおいてなおも約3倍大きい。
潜在的に、ブリュアン線の使用がラマン線よりもはるか
に良好な信号対ノイズ比とより広い温度範囲を提供する
けれども、現在利用できる狭い線幅のレーザーの技術は
ブリュアン線の使用を制限する。何故ならば、これらの
線は一般的にはプローブ・パルスと波長において不都合
にも近接しているからである。
に良好な信号対ノイズ比とより広い温度範囲を提供する
けれども、現在利用できる狭い線幅のレーザーの技術は
ブリュアン線の使用を制限する。何故ならば、これらの
線は一般的にはプローブ・パルスと波長において不都合
にも近接しているからである。
本発明の実施例は、電力変圧器およびケーブル中、液体
窒素中、油パイプライン沿い、およびビルディング全体
(例えば火災報知システムまたは空調システム)、にお
ける温度分布の看視にかなりの利点で以て使用できる。
窒素中、油パイプライン沿い、およびビルディング全体
(例えば火災報知システムまたは空調システム)、にお
ける温度分布の看視にかなりの利点で以て使用できる。
第1図は本発明を実施する分布型温度感知装置の配置を
描く模型的線図であり、 第2図は後方散乱輻射線の代表的スペクトル分布を示す
グラフであり、 第3図は本発明を実施する第二の温度感知装置を模型的
に描いており、 第4図は温度の関数としての測定したパワーの変動を示
すグラフであり、 第5(a)図と第5(b)図はそれぞれの温度分布を描
くグラフであり、 第6図は本発明を実施する第三の装置を模型的に示して
おり、 第7図は本発明を実施する第四の装置を模型的に示して
いる。 (符号説明) 1……光源 2……オプチカルファイバー 3……送出し用光学系、4……方向指示性結合器 5……光学フィルター、6……光学的受信器 7……検出器、8……前置増幅器 9……信号取得および処理
描く模型的線図であり、 第2図は後方散乱輻射線の代表的スペクトル分布を示す
グラフであり、 第3図は本発明を実施する第二の温度感知装置を模型的
に描いており、 第4図は温度の関数としての測定したパワーの変動を示
すグラフであり、 第5(a)図と第5(b)図はそれぞれの温度分布を描
くグラフであり、 第6図は本発明を実施する第三の装置を模型的に示して
おり、 第7図は本発明を実施する第四の装置を模型的に示して
いる。 (符号説明) 1……光源 2……オプチカルファイバー 3……送出し用光学系、4……方向指示性結合器 5……光学フィルター、6……光学的受信器 7……検出器、8……前置増幅器 9……信号取得および処理
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01M 11/02 J 9309−2G G01N 21/49 Z 9118−2J 21/65 G02B 6/00 (72)発明者 アドリアン・フィリップ・リーチ イギリス国ハンプシャー州サウザンプト ン,シャーレー,メイフラワー・ロード 18 (56)参考文献 特開 昭60−36911(JP,A) 英国特許2140554(GB,A)
Claims (16)
- 【請求項1】オプチカルファイバー(2)に沿った異な
る位置におけるある物理的変数のそれぞれの値を感知す
る光学的時間領域反射測定方法であって、 感知しようとする値に依存した出力信号を発生するのに
用いる後方散乱光学的輻射線を、前記ファイバー中の非
弾性散乱から生ずる予め選んだ単一スペクトル線、ある
いは2つの相互に隣接するその種のスペクトル線へ制御
し、また 前記ファイバーに沿った伝搬損失変化について補償した
前記値の測定値を、第1と第2の前記出力信号から得、
該第1出力信号は、前記ファイバーに沿って1つの方向
に進行する光学的輻射線の後方散乱に依存して発生し、
前記第2出力信号は、前記ファイバーに沿って、前記第
1出力信号の発生において使用するのと非同時的にて、
それとは反対方向に進行する光学的輻射線の後方散乱に
依存して発生すること、 を特徴とする光学的時間領域反射測定方法。 - 【請求項2】前記ファイバー(2)と直列あるいは並列
に配置したオプチカルファイバーの基準部分(11A,11
B)に、既知一定値の前記変数を受けさせて、前記のフ
ァイバー(11A,11B,2)中へ進入する輻射線の源(1)
の出力変化を監視できるようにする、特許請求の範囲第
1項に記載の方法。 - 【請求項3】予め選んだ単一スペクトル線へ制限した後
方散乱輻射線を使って一組の前記出力信号を得た後、一
組の二次の出力信号を制限されていない後方散乱輻射線
を使って取得し、そして前記の一組の前記出力信号およ
び前記一組の二次出力信号を使用して、正規化した出力
信号の最終組を発生する、特許請求の範囲第1項または
第2項に記載の方法。 - 【請求項4】前記ファイバー(2)にその2つの反対端
において光学的輻射線を交互に進入させ、前記第1の出
力信号は、前記ファイバーの中へその一端から進入する
輻射線の後方散乱から生じ、前記第2の出力信号は、前
記ファイバーへそのもう一方の端から進入する輻射線の
後方散乱から生ずる、特許請求の範囲第1項から第3項
のいずれかに記載の方法。 - 【請求項5】前記ファイバー(2)の一端(13)は反射
性であり、前記第1の出力信号は、前記ファイバーの前
記反射性端(13)へ向かって伝わる輻射線の後方散乱か
ら生じ、前記第2の出力信号は、前記反射性端での反射
後の輻射線の散乱から生じる、特許請求の範囲第1項か
ら第4項のいずれかに記載の方法。 - 【請求項6】前記の予め選んだスペクトル線またはそれ
の各々は、前記ファイバー(2)の反ストークス・ラマ
ン散乱から生ずる、特許請求の範囲第1項から第5項の
いずれかに記載の方法。 - 【請求項7】前記の予め選んだスペクトル線またはそれ
の各々は、前記ファイバー(2)中のブリュアン散乱か
ら生ずる、特許請求の範囲第1項から第5項のいずれか
に記載の方法。 - 【請求項8】前記物理的変数は温度である、特許請求の
範囲第1項から第7項のいずれかに記載の方法。 - 【請求項9】ある関心領域における異なる位置でのある
物理的変数のそれぞれの値を感知する光学的時間領域反
射測定装置であって、前記関心領域にわたって配備する
ように適合させたオプチカルファイバー(2)と、光学
的輻射線を前記ファイバーへ進入させてそれに沿った異
なった位置で後方散乱させるようにする源(1)と、前
記の後方散乱した輻射線を受けそしてそれに依存して感
知する各々の値に依存した出力信号を発生するように作
用上配置した遠隔感知手段(6,9)と、を備えた光学的
時間領域反射測定装置において、 前記遠隔感知手段が受ける前記後方散乱光学的輻射線
を、前記ファイバー中の非弾性散乱から生ずる予め選ん
だ単一スペクトル線、あるいは2つの相互に隣り合うそ
の種の線、へ制限する光学的濾過手段(5)を設け、ま
た 前記遠隔感知手段は、前記ファイバーに沿って1つの方
向に進行する光学的輻射線の後方散乱に依存して第1の
前記出力信号を発生し、また、前記ファイバーに沿っ
て、前記第1出力信号の発生において使用するのと非同
時的にて、それとは反対方向に進行する光学的輻射線の
後方散乱に依存して第2の前記出力信号を発生するよう
に動作可能であり、また前記遠隔感知手段は、前記ファ
イバーに沿った伝搬損失変化について補償した前記値の
測定値を、前記第1と第2の出力信号から得るよう動作
可能な処理手段(9)を含むこと、 を特徴とする、光学的時間領域反射測定装置。 - 【請求項10】前記ファイバー(2)を自らの上に折り
返して、その2つの反対端(A,B)が相互に隣り合うよ
うかつその2つの反対端において前記ファイバーに輻射
線を交互に進入させるよう制御された前記光源(1)に
面するように配置しており、そして、前記第1出力信号
は、前記ファイバーの中へその一端から進入する輻射線
の後方散乱から生じ、前記第2出力信号は、前記ファイ
バーの中へそのもう一方の端から進入する輻射線の後方
散乱から生じる、特許請求の範囲第9項に記載の装置。 - 【請求項11】光学的輻射線のそれぞれの源(1)を前
記ファイバー(2)の前記2つの反対端(A,B)におい
て設け、これらの源をその2つの反対端において交互に
前記ファイバー中に輻射線を進入させるように制御し、
そして前記第1出力信号は、前記ファイバーの中へその
一端において進入する輻射線の後方散乱から生じ、前記
第2出力信号は、前記ファイバーの中へその他端におい
て進入する輻射線の後方散乱から生じる、特許請求の範
囲第9項に記載の装置。 - 【請求項12】前記オプチカルファイバー(2)は、相
互に隣り合って配列したそれぞれの入力端をもつその種
のオプチカルファイバーの複数個の内の1つであり、そ
して、選択手段(14)を設けて、前記遠隔感知手段(6,
9)が異なるファイバーに関して異なる時間において選
択的に作動することを可能にするようにした、特許請求
の範囲第9項から第11項のいずれかに記載の装置。 - 【請求項13】前記ファイバー(2)の一端(13)は反
射性であり、前記第1出力信号は、前記ファイバーの前
記反射性端(13)向かって伝わる輻射線の後方散乱から
生じ、前記第2出力信号は、前記反射性端での反射後の
輻射線の後方散乱から生じる、特許請求の範囲第9項に
記載の装置。 - 【請求項14】前記の予め選んだスペクトル線またはそ
れの各々は、前記ファイバー(2)の反ストークス・ラ
マン散乱から生ずる、特許請求の範囲第9項から第13項
のいずれかに記載の装置。 - 【請求項15】前記の予め選んだスペクトル線またはそ
れの各々は、前記ファイバー(2)中のブリュアン散乱
から生ずる、特許請求の範囲第9項から第13項のいずれ
かに記載の装置。 - 【請求項16】前記物理的変数は温度である、特許請求
の範囲第9項から第15項のいずれかに記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB8520827 | 1985-08-20 | ||
GB858520827A GB8520827D0 (en) | 1985-08-20 | 1985-08-20 | Fibre-optic sensing devices |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62110160A JPS62110160A (ja) | 1987-05-21 |
JPH0746056B2 true JPH0746056B2 (ja) | 1995-05-17 |
Family
ID=10584041
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP61195129A Expired - Lifetime JPH0746056B2 (ja) | 1985-08-20 | 1986-08-20 | 光学的時間領域反射測定 |
Country Status (10)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4823166A (ja) |
EP (1) | EP0213872B1 (ja) |
JP (1) | JPH0746056B2 (ja) |
AT (1) | ATE84369T1 (ja) |
AU (1) | AU6157686A (ja) |
DE (1) | DE3687438T2 (ja) |
DK (1) | DK393686A (ja) |
ES (1) | ES2001244A6 (ja) |
GB (1) | GB8520827D0 (ja) |
IN (1) | IN169142B (ja) |
Families Citing this family (123)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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US5560712A (en) * | 1982-08-06 | 1996-10-01 | Kleinerman; Marcos Y. | Optical systems for sensing temperature and thermal infrared radiation |
US5363463A (en) * | 1982-08-06 | 1994-11-08 | Kleinerman Marcos Y | Remote sensing of physical variables with fiber optic systems |
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