JPH0820315B2 - 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
温度センサに関する。

［従来の技術］ ラマン散乱光を利用した光ファイバ式分布形温度セン
サは、センサ用光ファイバの一端から波長λ0,パルス幅
Tw,パルス周期Tpの光を入射させ、光ファイバ内で発生
するラマン散乱光の二成分である波長λｓのストークス
光と、波長λasのアンチストークス光の後方散乱光（反
射光）とを、パルス光入射時刻をｔ＝０として、それぞ
れサンプリング時間間隔Tsで計測し、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）
をサンプリング時間間隔Tsの関数として求め、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）を利用して、光ファイバに沿った線状の
温度分布測定を行う装置である。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Tr内の計測値が有効な温度分布情報を与える。
ストークス光及びアンチストークス光の後方散乱光測定
は、光ファイバの破断点検知等に用いるOTDR（Optical
time Domain Reflectometry）装置とほぼ同じ測定方法
で行う。

このラマン散乱光利用光ファイバ式分布形温度センサ
を用いた分布形温度測定システムは、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、各種プラントの生産ラインや、設備の温度コ
ントロール、あるいは、ビルやトンネル等の火炎検知用
として使用すれば、火炎発生位置の標定を行うことがで
きる。

第９図に、従来のラマン散乱光利用光ファイバ式分布
形温度センサの構成例を示す。この分布形温度センサ
は、センサ用光ファイバ６と温度分布測定装置22とから
構成される。

温度分布測定装置22のセンサ用パルス光源４からパル
ス光は、光ファイバ5a,光分岐器５を通してセンサ用光
ファイバ６に導かれ、センサ用光ファイバ６内で発生し
た後方散乱光（反射光）は、その一部が測定装置22側に
戻り、光分岐器５、光ファイバ5bを介して、光分岐器７
に導かれる。

光分岐器７で二分された反射光のうち、光ファイバ7a
に導かれたものは、中心波長λasのアンチストークス光
用の光学フィルタ8a,受光器9a及び平均化処理回路10a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、光ファイバ7bに導かれた
ものは、中心波長λｓのストークス光用の光学フィルタ
8b,受光器9b及び平均化処理回路10bで構成されるストー
クス光用OTDR計測回路30b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。そして
温度分布演算回路11で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分布測定を行
っている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来のラマン散乱光利用光ファイバ式分布形
温度センサでは、光源から出た光を光分岐器５を通して
センサ用光ファイバに導き、またセンサ用光ファイバで
発生した後方散乱光は、光分岐器５と光分岐器７を通っ
た後、光学フィルタを経てアンチストークス光計測系或
いはストークス光計測系に導かれている。従って、光分
岐器を通る度に理論的計算だけでも、3dBづつ光強度が
減少するため、合計で、9dB以上の損失が光分岐器部分
で発生しており、測定精度を向上させるためのネックと
なっていた。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、
信号光の減衰を小さくし、より高精度の光ファイバ式分
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、光ファイ
バ中で発生するラマン散乱光強度の温度依存性をOTDRの
手法で測定することにより、光ファイバに沿った長手方
向の温度を測定する装置であって、光源からの光を光合
分波器を通してセンサ用光ファイバに入射させ、センサ
用光ファイバから戻ってくる後方散乱光の反射光のうち
特定の波長領域の光を光合分波器により分離し、その光
信号を光計測系の受光器に導く光ファイバ式分布形温度
センサにおいて、光源からセンサ用光ファイバへの光軸
上に光軸に対して互いに向きが対称となるように、光源
からの光を透過しセンサ用光ファイバからのストークス
光を反射させる第１フィルタと光源からの光を透過しセ
ンサ用光ファイバからのアンチストークス光を反射させ
る第２フィルタとを配置すると共に、光源からセンサ用
光ファイバへの光軸に対して、第１フィルタによって反
射されたストークス光の光軸と、第２フィルタによって
反射されたアンチストークス光の光軸とを互いに対称か
つそれぞれ平行となるように、ストークス光を光源側に
反射させる第３フィルタとアンチストークス光を光源側
に反射させる第４フィルタとを配置して光合分波器を構
成し、ストークス光をストークス光計測系に、アンチス
トークス光をアンチストークス光計測系に導くものであ
る。

［作用］ 光源からの光をセンサ用光ファイバに導く部分及びセ
ンサ用光ファイバから戻ってくる信号光を光計測系に導
く部分で用いられていた光分岐器を、光学フィルタで構
成される光合分波器で置き換えることにより、信号光及
び光源の光の損失が小さくなり、光フィバ式分布形温度
センサの測定精度が大巾に向上する。

光合分波器に設けられた４つの入出射光用接続口を平
行な２辺に集めることができるため、この２辺の平行度
を調整するだけで４つの入出射光用接続口間の光軸ずれ
を容易に修正することができる。

光合分波器内におけるストークス光とアンチストーク
ス光との光路長を等しくすることができるため、ストー
クス光とアンチストークス光との空間伝搬損失を等しく
することができる。

光源からセンサ用光ファイバまでの経路に第１及び第
２の光学フィルタを設けているため、センサ用光ファイ
バに混入する雑音光の量を低く抑えることができる。

［実施例］ 以下本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図に示す光ファイバ式分布形温度センサの構成
は、従来の第９図に示したものとほぼ同じであるが、パ
ルス光源4,センサ用光ファイバ６及び受光系30a,30bの
三者間には、光合分波器15が使用されている。

この光合分波器15は、第２図に示すごとく、接続口P
1,P2,P3及びP4と光学フィルタF11,F12,F21,F22とから構
成されている。各光学フィルタに第３図に示す特性の光
学フィルタを使用する。

第２図に示す実施例は、測定するラマン散乱光の２成
分であるアンチストークス光とストークス光の両方共、
光合分波器内で発生する空間伝搬損失を小さくして、最
終的に高精度の分布形温度測定ができるようにしたもの
である。

第２図において、光合分波器15は、接続口P1〜P4と４
つの光学フィルタF11,F12,F21,F22とから構成されてい
るが、ストークス光用の分波系（F11,F12）とアンチス
トークス光用の分波系（F21,F22）に分れており、各光
学フィルタには第３図に示す特性の光学フィルタが使用
されている。

第３図において、λ０は光源の中心波長、λａはアン
チストーク光の波長、λｓはストーク光の波長である。
これらの光学フィルタのうち、ストークス光用の分波系
を構成する第１フィルタF11は、波長λ０を透過しλｓ
の波長を反射する特性を有する。またアンチストークス
光用の分波系を構成する第２フィルタF21は、λｓの波
長及び第１フィルタF11を透過した波長λ０の光を透過
しλａの波長を反射する特性を有する。ストークス光用
の分波系を構成する第３フィルタF12は、第１フィルタF
11からの反射光を受け、λａ及びλ０の波長を透過して
除去し，λｓの波長を反射する特性を有する。アンチス
トークス光用の分波系を構成する第４フィルタF22は、
第２フィルタF21からの反射光を受けλａの波長を反射
する特性を有し、λ０及びλｓの光を透過して除去する
特性を有する。

上記光合分波器15において、接続口P1に光源４を、接
続口P2にセンサ用光ファイバ６を、接続口P4にストーク
ス光受光系たるOTDR計測回路30bを、接続口P3にアンチ
ストークス光受光系たるOTDR計測回路30aを接続する。
これにより、接続口P1からの波長λ０の光源の光が、第
１フィルタF11及び第２フィルタF21を通して、接続口P2
のセンサ用光ファイバ６に導かれる。そして、センサ用
光ファイバ６から戻ってくる後方散乱光のうち、λａの
波長のものは、第２フィルタF21で反射して第４フィル
タF22に至り、第４フィルタF22でさらに反射して、接続
口P3からアンチストークス光OTDR計測回路30aに導かれ
る。また、λｓの波長のものは、光学フィルタF21を透
過した後第１フィルタF11で反射され、第３フィルタF12
でさらに反射されて、接続口P4を介してストークス光用
OTDR計測回路30bに導かれる。

上記第２図の構成の光合分波器15を用いた場合、パル
ス光源4,センサ用光ファイバ6,受光器9a又は9b間での光
損失は、２つの接続口間を平行ビームで伝送する際に生
ずる損失を2dB、光学フィルタを透過するときの損失を
0.5dB/枚、光学フィルタで反射する際の損失を0.25dB/
枚とすると、次のようになる。即ち、光源４からセンサ
用光フィバ６まで損失は3.0dB（＝２＋0.5×２）、セン
サ用光ファイバからアンチストークス光用受光器9aまで
の損失は2.5dB（＝２＋0.25×２）であり、ストークス
光用受光器9bまでの損失は3.0dB（＝２＋0.5＋0.25×
２）である。従って、光源〜センサ用光ファイバ〜受光
器間の損失は、合計で、アンチストークス光（λａ）に
ついては5.5dB、ストークス光（λｓ）については6.0dB
である。

第２図による構成について損失の実測を行ったとこ
ろ、合計損失がアンチストークス光（λａ）で5.6dB、
ストークス光（λｓ）で6.1dBとほぼ計算通りであっ
た。

このように、光ファイバ式分布形温度センサの光結合
器として、パルス光源４とセンサ用光ファイバ６間は光
源波長λ０のみの光が通過し、センサ用光ファイバ６と
ストークス光受光口（P4）およびアンチストークス光受
光口（P3）間は、それぞれの波長帯域の光のみが通過す
るようフィルタを設置し、ストークス光，アンチストー
クス光の損失がほぼ同等となるような構成とした光合分
波器を用いることにより、光損失を大巾に低下させるこ
とができる。

実施例２ 上記実施例では、接続口P3をアンチストークス光用OT
DR計測回路に、接続口P4をストークス光用OTDR計測回路
に接続したが、接続口P4と接続口P3を逆に接続し、使用
する光学フィルタの特性を、第４図の特性のものに変更
しても、先の実施例と同様の所期の効果が期待できる。

実施例３ また、第５図に示すように、第１実施例である第２図
の構成において、第３フィルタF12と接続口P4との間
に、第６図に示す特性の第５フィルタF13を追加するこ
とと、第４フィルタF22と接続口P3との間に第６図に示
す特性の第６フィルタF23を追加することのいずれか一
方或いは両方を実施すると、接続口P4に接続されるスト
ークス光用OTDR計測回路30sに混入する光源からの波長
λ０の光を除去する割合が高まり、また接続口P3に接続
されるアンチストークス光用OTDR計測回路30aに混入す
る光源からの光を除去する度合いが高まり、より優れた
性能の光ファイバ式分布形温度センサの性能を得ること
ができる。

実施例４ 上記第２実施例（第２図及び第４図）において、第5,
第６フィルタF13,F23を第５図と同様の位置に、第６図
に示された第５フィルタF13と第６フィルタF23の特性を
逆にして追加することで、接続口P3,P4に接続されるス
トークス光用OTDR計測回路30s及びアンチストークス光
用OTDR計測回路30aに混入する光源からの光を除去する
度合いを高くすることができる。

実施例５〜８ 使用したフィルタの組合せの他に第７図に示すａ〜ｅ
タイプの特性の光学フィルタを、第８図に示すように組
み合わせて用いることもできる。第７図に示したフィル
タの特性には、２種類或いは３種類選択可能なものがあ
るが、光源からの光がOTDR計測回路に混入する度合い
等、被測定波長の光以外の波長の光がOTDR計測回路に混
入する度合いを極力小さくするためには、一般には表中
＊印を付けた光学フィルタを使用するのが望ましい。但
し、フィルタの製造技術の関係で、光導波路型フィルタ
等の他のフィルタを用いた方が良い場合も生じ得る。

［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。

ｉ）光軸調整が容易である。

ii）ストークス光及びアンチストークス光の空間伝搬損
失を等しくできる。

iii）光源とセンサ用光ファイバとOTDR計測系との間の
光損失を従来より低減することができ、測定条件や測定
精度を従来のままとした場合に、測定距離を長くするこ
とができる。

iv）検出対象の散乱光たるラマン散乱光に接近して強い
散乱光であるレーレ散乱光があっても、光学的バンドパ
スフィルタの特性を最適化することにより、検出対象の
散乱光のみを感度良く検出できる。

【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一実
施例を示す構成図、第２図はそれに使用した光合分波器
の一構成例を示す図、第３図はその光合分波器で使用す
る光学フィルタの特性図、第４図は本発明の実施例２で
用いる光学フィルタの特性図、第５図は本発明の実施例
３で用いる光合分波器の構成図、第６図は実施例３で用
いる光学フィルタの特性図、第７図は本発明の実施例５
〜８で用いる光学フィルタの特性図、第８図は本発明の
実施例５〜８で使用する光学フィルタの組み合わせを示
す図、第９図は従来の光ファイバ式分布型温度センサの
構成図である。 図中、４はパルス光源、5a、5b、7a、7bは光ファイバ、
６はセンサ用光ファイバ、５、７は光分岐器、8a、8bは
光学フィルタ、9a、9bは受光器、10a、10bは平均化処理
回路、11は温度分布演算回路、15は光合分波器を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 深堀 敏夫 茨城県日立市日高町５丁目１番１号 日立 電線株式会社電線研究所内 (72)発明者 樟山 裕幸 茨城県日立市日高町５丁目１番１号 日立 電線株式会社日高工場内 (56)参考文献 特開 昭63−208731（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ファイバ中で発生するラマン散乱光強度
   の温度依存性をOTDRの手法で測定することにより、光フ
   ァイバに沿った長手方向の温度を測定する装置であっ
   て、光源からの光を光合分波器を通してセンサ用光ファ
   イバに入射させ、センサ用光ファイバから戻ってくる後
   方散乱光の反射光のうち特定の波長領域の光を前記光合
   分波器により分離し、その光信号を光計測系の受光器に
   導く光ファイバ式分布形温度センサにおいて、光源から
   センサ用光ファイバへの光軸上に該光軸に対して互いに
   向きが対称となるように、光源からの光を透過しセンサ
   用光ファイバからのストークス光を反射させる第１フィ
   ルタと光源からの光を透過しセンサ用光ファイバからの
   アンチストークス光を反射させる第２フィルタとを配置
   すると共に、上記光源からセンサ用光ファイバへの光軸
   に対して、上記第１フィルタによって反射されたストー
   クス光の光軸と、上記第２フィルタによって反射された
   アンチストークス光の光軸とを互いに対称かつそれぞれ
   平行となるように、上記ストークス光を光源側に反射さ
   せる第３フィルタと上記アンチストークス光を光源側に
   反射させる第４フィルタとを配置して上記光合分波器を
   構成し、上記ストークス光をストークス光計測系に、上
   記アンチストークス光をアンチストークス光計測系に導
   くことを特徴とする光ファイバ式分布形温度センサ。