JPH112572A - 光ファイバを用いた物理量計測方法及び計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストで物理量の計測と物理量の伝送とを
実現できる光ファイバを用いた物理量計測方法及び計測
装置を提供する。 【解決手段】 光源部２から光ファイバ８の一端に光を
入射すると、光ファイバ８中でラマン散乱光が発生す
る。そのラマン散乱光の後方散乱光を受光部１３で受光
し、信号処理部１５でラマン散乱光の強度とラマン散乱
光の発生箇所までの距離から光ファイバ８の表面に沿っ
た温度分布が計測される。光ファイバ８の近傍に設置し
た多数の物理量センサ６からの情報に対応した振動を光
ファイバ８の外部から印加することにより、光ファイバ
８中を伝搬する光の偏波状態が変化するので、この偏波
状態の変化を偏波制御部９で検出することにより各物理
量センサ６からの情報が伝送される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバを用い
て物理量を計測して伝送する物理量計測方法及び計測装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物理量を計測する装置を図２に示す。

【０００３】図２は光ファイバを用いた温度分布計測装
置を示すブロック図である。

【０００４】この物理量計測装置は、主に光ファイバケ
ーブル８と、光ファイバ温度分布測定装置１８とで構成
される。光ファイバ温度分布測定装置１８は、光ファイ
バケーブル８の長さに対応した表面温度を線状に測定す
るものであり、この光ファイバケーブル８を測定対象表
面に沿わせることで、対象物の温度分布を計測すること
ができる。

【０００５】光ファイバ温度分布測定装置１８は、光源
部２、光合分波器３、受光部１３、同期制御部１２、平
均化処理部１４及び信号処理部１５で構成される。

【０００６】図２に示した計測装置の測定原理を説明す
る。

【０００７】光源部２からの光パルスを光ファイバケー
ブル８に入射すると、光ファイバケーブル８の各点で、
この光パルスにより後方散乱光（散乱光の一部が再び光
ファイバ中を入射端へと近い方から順次戻ってくる）が
発生する。この後方散乱光のうち、ラマン散乱光の強度
を光合分波器３で分岐し、受光部１３で検出する。光フ
ァイバケーブル８中を伝搬する光パルスの速度は一定で
あるので、光パルスの入射時刻とラマン散乱光の受光時
刻との差を求め、伝搬速度と時刻差とから散乱光の発生
箇所を特定する。

【０００８】一方、受光部１３で検出された出力は平均
化処理部１４で、同期制御部１２でパルス発生に同期し
て、発生箇所に対応したメモリ内に加算されて収納され
る。この動作を繰り返した後、平均化処理部１４で繰り
返し加算（Ｍ回）した後、Ｍで除算して平均化する。こ
の操作によりＳ／Ｎを改善し、ラマン散乱光を検出す
る。最後に予め求めておいたラマン散乱光強度と温度と
の関係式から温度を算出する。本方式は、一つのパルス
を光ファイバに入射するため、シングルパルス方式と呼
ばれている。

【０００９】物理量を伝送する装置を図３に示す。

【００１０】図３は光ファイバを用いた多点物理量伝送
装置を示すブロック図である。

【００１１】光ファイバケーブル８の外部に取り付けた
圧電振動子７により超音波振動を印加し、光ファイバ伝
搬光の偏波状態を変動させ、この変動を光ファイバケー
ブル８に接続した受光部１３で検出することにより、光
ファイバケーブル８を切断することなく光ファイバケー
ブルの中間部から物理量を伝送するシステムが本出願人
によって出願されている（特願平８−９９４８９号及び
特願平８−７７０２４号）。

【００１２】図３に示す装置についてより詳しく説明す
る。

【００１３】光ファイバケーブル８には、一端に接続さ
れた光源部２から一定出力の光が入射されている。光源
部２の反対側には受光部１３が接続されている。受光部
１３は、偏波制御部（受光用）９等の特定の偏波状態を
抽出する機能を有する偏波抽出素子と、その後段に設け
られたＯ／Ｅ変換部１０から構成されており、光ファイ
バ伝搬光の偏波状態変動に対応した電気信号が出力され
る。受光部１３の後段には周波数解析部１１が接続され
ており、具体的にはスペクトルアナライザ等の解析装置
が用いられる。周波数解析部１１では、光ファイバ伝搬
光の偏波状態変動に対応した電気信号の周波数解析を行
えるようになっている。

【００１４】一方、光ファイバケ−ブル８の途中には情
報入力部１９が複数箇所設けられている。情報入力部１
９は伝送情報を周波数情報に変換する周波数変換部１
７、周波数に変換された情報を光ファイバに印加する圧
電振動子７から構成されている。周波数変換部１７には
変位、圧力、湿度、放射線、音響、ガス等の物理量を検
出する物理量センサ６が必要に応じて接続される。

【００１５】次に、図３に示す装置の動作について説明
する。

【００１６】周波数変換部１７で周波数情報に変換され
た物理量情報は光ファイバ８の外部に取り付けた圧電振
動子７を所定の周波数で動作させる。この時、光ファイ
バ８に印加した振動に対応した応力が加えられるため、
光ファイバ伝搬光の偏波状態が印加された振動に対して
変動する。受光部１３では、偏波制御部（受光用）９を
通過した光は偏波制御部（受光用）の偏光方向の光のみ
を通過させるので、受光部１３に入力した光に偏波状態
の変動があると偏波制御部（受光用）を通過する光強度
が偏波状態により変化する。この出力光をＯ／Ｅ変換部
１０で電気信号に変換し周波数解析部１１で解析するこ
とにより、物理量情報を得ることができる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図２に
示した温度分布計測装置や図３に示した多点物理量伝送
装置は、それぞれの目的に叶った優れたシステムである
が、温度分布を計測すると共に多点の物理量を伝送する
場合には、光源部、受光部、信号処理部に加えて、温度
計測に用いる光ファイバ及び情報伝送に用いる光ファイ
バが各々２セットずつ必要となり、これに要する費用は
膨大なものとなる。

【００１８】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、低コストで物理量の計測と物理量の伝送とを実現で
きる光ファイバを用いた物理量計測方法及び計測装置を
提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、光ファイバの一端に光源からの光を入射
し、光ファイバ中で発生するラマン散乱光の後方散乱光
を受光部で受光し、ラマン散乱光の強度と散乱光の発生
箇所までの距離から光ファイバ表面に沿った温度分布を
信号処理部で計測する物理量計測方法において、光ファ
イバ近傍に設置した多数のセンサからの情報に対応した
振動を圧電振動子で光ファイバに外部から印加し、光フ
ァイバ中の透過光を光ファイバの他端で受光し、透過光
の偏波状態変動を偏波制御部で検出し、光ファイバ近傍
の物理量を伝送するものである。

【００２０】上記構成に加え本発明は、光ファイバと、
光ファイバの一端に光を入射する光源と、光ファイバ中
で発生するラマン散乱光の後方散乱光を受光し、ラマン
散乱光の強度と散乱光の発生箇所までの距離から光ファ
イバ表面に沿った温度分布を計測する信号処理部とを備
えた物理量計測装置において、光ファイバ近傍に設置し
た多数のセンサと、センサからの情報に対応した振動を
光ファイバに外部から印加する圧電振動子と、光ファイ
バ中の透過光を光ファイバの他端で受光する受光部と、
透過光の偏波状態変動を検出して伝送するための偏波制
御部とを設けたものである。

【００２１】本発明によれば、光源から光ファイバの一
端に光を入射すると、光ファイバ中でラマン散乱光が発
生する。そのラマン散乱光の後方散乱光を受光器で受光
し、信号処理部でラマン散乱光の強度とラマン散乱光の
発生箇所までの距離から光ファイバ表面に沿った温度分
布が計測される。光ファイバ近傍に設置した多数のセン
サからの情報に対応した振動を圧電振動子で光ファイバ
の外部から印加することにより、光ファイバ中を伝搬す
る光の偏波状態が変化するので、この偏波状態の変化を
偏波制御部で検出することにより各センサからの情報が
伝送される。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。

【００２３】図１は本発明の光ファイバを用いた物理量
計測方法を適用した計測装置の一実施の形態を示すブロ
ック図である。尚、従来例と同様の部材には共通の符号
を用いた。

【００２４】本装置は、疑似ランダム変調部１と、疑似
ランダム変調部１の出力信号で駆動される光源部２と、
入力端が光源部２の出力端に接続された光合分波器３
と、一方の入出力端が光合分波器３の入出力端に接続さ
れた偏波制御部（発光用）４と、一端が偏波制御部４の
他方の入出力端に接続された光ファイバケーブル８と、
入力端が光合分波器３の出力端に接続された受光部１３
と、疑似ランダム変調部１に接続された同期制御部１２
と、同期制御部１２及び受光部１３に接続された平均化
処理部１４と、入力端が光ファイバケーブル８の他端に
接続された偏波制御部（受光用）９と、入力端が偏波制
御部９の出力端に接続されたＯ／Ｅ変換部１０と、入力
端がＯ／Ｅ変換部１０の出力端に接続された周波数解析
部１１と、入力端が周波数解析部１１の出力端に接続さ
れた信号処理部１５と、入力端が信号処理部１５の出力
端に接続されたＣＲＴ１６と、光ファイバケーブル８の
外部に装着した圧電振動子７及び光ファイバケーブル８
の近傍に設置した物理量センサ６とで構成されており、
物理量の計測を行うと共に物理量の伝送を行うものであ
る。

【００２５】本装置による物理量としての温度計測につ
いて説明する。

【００２６】本発明は図２に示した装置におけるシング
ルパルス方式と異なり、一つ一つのパルス光強度は小さ
いが、連続したパルス列を光ファイバケーブルに入射さ
せ、等価的にシングルパルス方式と同等になる疑似ラン
ダム符号化方式を採用している。光源部２は、疑似ラン
ダム変調部１の出力信号に対応したタイミングで発光す
る。すなわち、疑似ランダム変調部１で発生する疑似ラ
ンダムコードと呼ばれる「１」、「０」の符号からなる
信号により、光源部２から発生する出力光の「ＯＮ」、
「ＯＦＦ」制御を行い、これを光合分波器３及び偏波制
御部（発光用）４を介して、光ファイバケーブル８に入
射する。入射光が計測対象物５に沿って設けられた光フ
ァイバケーブル８中を進行するに従い、光ファイバケー
ブル８の各点からラマン散乱光が発生する。この散乱光
の一部は後方散乱光として入射側ヘ戻ってくるので、光
合分波器３で分波することにより、受光部１３へ導かれ
る。受光された後方散乱光は、平均化処理部１４で平均
化処理される。疑似ランダムコードにはＭ系列（Ｍ−ｓ
ｅｑｕｅｎｃｅ）コードを用いているので、得られた信
号と光源部２に入力したコードとの白己相関をとること
により（すなわち復調処理を行う）、従来のシングルパ
ルス方式と等価的に等しい信号が得られる。この信号
は、光ファイバケーブル８の各点で発生したラマン散乱
光であり、この散乱光強度と散乱光発生場所の情報から
温度分布が求まることは既に説明したので省略するが、
本装置により、計測対象物に沿った表面温度分布が求め
られる。

【００２７】次に、本装置による物理量の伝送について
説明する。

【００２８】計測対象物５に沿って設けられた光ファイ
バケーブル８の一部を外部に取り出し、取り出した光フ
ァイバケーブル８の周囲に圧電振動子７を固定する。光
ファイバケーブルとして金属管収納型光ケーブルを用い
ると容易に固定できる。圧電振動子７の近傍には、物理
量を計測するための物理量センサ６が設置されている。
また、光ファイバケーブル８は終端部で折り返され、入
射端まで導かれ、偏波制御部９を介してＯ／Ｅ変換部１
０に接続されている。さらに、Ｏ／Ｅ変換部１０には、
周波数解析部１１及び信号処理部１５が接続されてい
る。

【００２９】本装置が作動すると、光源部２から、連続
した光パルスが偏波制御部（発光用）４を介して光ファ
イバケーブル８に入射されるので、光ファイバケーブル
８中を進む透過光は、その偏光状態がほぼ一定となって
いる。圧電振動子７では、予め１種類の物理量センサに
対する中心振動周波数を決めておき、このセンサの出力
に応じて、振動周波数が変化するように調整されてい
る。この振動により、透過光の偏波状態が変動し、この
透過光は偏波制御部９を介して、Ｏ／Ｅ変換部１０で電
気信号に変換され、周波数解析部１１で偏波状態の周波
数解析が行われる。この解析結果を信号処理部１５内部
にて、予め求めておいた周波数の変化量と物理量との関
係から、所望の物理量を求めることができる。また、そ
の結果はＣＲＴ１６の画面に表示される。

【００３０】ここで、本実施の形態では、偏波制御部
９、Ｏ／Ｅ変換部１０、周波数解析部１１及び信号処理
部１５等のいわゆる物理量計測部を温度分布計測部と同
一の場所に設置するように光ファイバケーブル８を遠端
部で折り返すシステムの場合で説明したが、物理量計測
部を別の場所に設置してもよい。ただし、この場合、周
波数解析部１１の計測結果を他端の信号処理部１５まで
伝送する機器が必要となる。

【００３１】以上において本発明によれば、 (1) 一つの装置で長距離区間の温度分布と、多数点の物
理量とを同時にかつリアルタイムで計測できる。

【００３２】(2) 従来より安価に構築できる。

【００３３】(3) 光ファイバケーブルの任意の場所に、
物理量センサを設けることが可能であり、光ファイバケ
ーブルの接続作業も不要となり低コスト化が実現でき
る。

【００３４】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。

【００３５】１本の光ファイバケーブルに入射された光
のラマン散乱光の後方散乱光を受光することにより物理
量を計測することができ、光ファイバケーブル近傍に設
置された多数のセンサからの情報に応じて光ファイバケ
ーブル内を伝搬する光の偏波状態を変化させることによ
り物理量の伝送を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ファイバを用いた物理量計測方法を
適用した計測装置の一実施の形態を示すブロック図であ
る。

【図２】光ファイバを用いた温度分布計測装置を示すブ
ロック図である。

【図３】光ファイバを用いた多点物理量伝送装置を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

２ 光源部 ６ 物理量センサ（センサ） ８ 光ファイバケーブル（光ファイバ） ９ 偏波制御部 １５ 信号処理部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバの一端に光源からの光を入射
   し、光ファイバ中で発生するラマン散乱光の後方散乱光
   を受光部で受光し、該ラマン散乱光の強度と該散乱光の
   発生箇所までの距離から上記光ファイバ表面に沿った温
   度分布を信号処理部で計測する物理量計測方法におい
   て、上記光ファイバ近傍に設置した多数のセンサからの
   情報に対応した振動を圧電振動子で上記光ファイバに外
   部から印加し、該光ファイバ中の透過光を該光ファイバ
   の他端で受光し、上記透過光の偏波状態変動を偏波制御
   部で検出し、該光ファイバ近傍の物理量を伝送すること
   を特徴とする光ファイバを用いた物理量計測方法。
2. 【請求項２】 光ファイバと、該光ファイバの一端に光
   を入射する光源と、上記光ファイバ中で発生するラマン
   散乱光の後方散乱光を受光し、該ラマン散乱光の強度と
   該散乱光の発生箇所までの距離から該光ファイバ表面に
   沿った温度分布を計測する信号処理部とを備えた物理量
   計測装置において、該光ファイバ近傍に設置した多数の
   センサと、該センサからの情報に対応した振動を該光フ
   ァイバに外部から印加する圧電振動子と、該光ファイバ
   中の透過光を該光ファイバの他端で受光する受光部と、
   該透過光の偏波状態変動を検出して伝送するための偏波
   制御部とを設けたことを特徴とする光ファイバを用いた
   物理量計測装置。