WO2016181542A1 - 温度測定装置、温度測定方法および温度測定プログラム - Google Patents

温度測定装置、温度測定方法および温度測定プログラム Download PDF

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optical fiber
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    • G01K11/324—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 using Raman scattering

Definitions

  • This case relates to a temperature measurement device, a temperature measurement method, and a temperature measurement program.
  • the present case has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a temperature measuring device, a temperature measuring method, and a temperature measuring program capable of correcting a measured temperature.
  • the temperature measurement device detects a first Stokes component and a first anti-Stokes component from backscattered light when light is incident on the first end of the optical fiber, and transmits light to the second end of the optical fiber.
  • a predetermined region including a detector that detects a second Stokes component and a second anti-Stokes component from backscattered light when the light enters, and a sample point of a partial region on the first end side of the optical fiber.
  • a correction unit that replaces the first anti-Stokes component and the second Stokes component with values corresponding to the first anti-Stokes component, the first Stokes component, and the first Inch Stokes component, and a measuring unit for measuring a temperature in said sample points using said second Stokes component, and the second anti-Stokes component after it has been replaced by the correcting unit.
  • Measured temperature can be corrected.
  • (A) is the schematic showing the whole structure of the temperature measuring device which concerns on embodiment
  • (b) is a block diagram for demonstrating the hardware constitutions of a control part. It is a figure showing the component of backscattered light.
  • (A) is a figure which illustrates the relationship between the elapsed time after light-pulse emission by a laser, and the light intensity of a Stokes component and an anti-Stokes component
  • (b) shows the detection result of (a), and Formula (1). It is the temperature calculated using.
  • Detailed procedure of double-end method Represents the advantages of the double-ended method. An example of response when a part of the optical fiber is immersed in hot water of about 55 ° C. at room temperature of about 24 ° C. is shown.
  • FIG. 6 It is a figure which illustrates the result obtained from FIG. 6 and Formula (3).
  • the typical example of an impulse response is illustrated.
  • (A)-(c) is a figure which illustrates a comparison with the output waveform estimated from the impulse response with respect to each immersion length, and the output waveform actually obtained.
  • For the two 20 cm high temperature application sections a section not applied at the center is provided, and the calculated value of the output waveform when the width of the section is gradually changed is illustrated.
  • An example of the temperature distribution when a pulse is incident from one end obtained by backward Raman scattered light detection is shown.
  • FIG. 12 is a diagram in which temperatures are calculated by averaging Stokes components and anti-Stokes components of two signals incident from both ends of FIG. 11. The measurement accuracy is exemplified quantitatively.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a Stokes component and an anti-Stokes component, which are original signals for calculating the temperature distribution illustrated in FIGS. 9A to 9C.
  • (A) to (c) are other data in which a section different from FIG. 16 is immersed in hot water when a light pulse is incident from the first end.
  • FIG. 17 is an enlarged view of 4800 m to 5100 m in FIG.
  • FIG. 17 is an enlarged view of 4800 m to 5100 m in FIG.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a comparison of Pearson's product moment correlation coefficient and Spearman's rank correlation coefficient with respect to the data of FIG. 16. It is another example of the flowchart performed when a correction
  • (A) And (b) is a figure which illustrates another example of application. It is a figure which illustrates another example of application.
  • (A)-(d) is a figure which illustrates a calculation result. It is a figure which shows the relationship between the number of one side average elements of 01A and 02A. It is a figure which shows the relationship between the number of one side average elements of 01A and 02A. It is a figure which illustrates the temperature calculation result of a double end system. It is a figure which illustrates the temperature calculation result of a double end system. It is a figure which shows the quantitative comparison of the temperature distribution before and behind a process.
  • (A)-(d) is a figure which illustrates a calculation result.
  • FIG. 1A is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a temperature measuring apparatus 100 according to the embodiment.
  • the temperature measuring device 100 includes a measuring machine 10, a control unit 20, and the like.
  • the temperature measuring device 100 is connected to the optical fiber 30.
  • the measuring device 10 includes a laser 11, a beam splitter 12, an optical switch 13, a filter 14, a plurality of detectors 15a and 15b, and the like.
  • the control unit 20 includes an instruction unit 21, a temperature measurement unit 22, a correction unit 23, and the like.
  • FIG. 1B is a block diagram for explaining the hardware configuration of the control unit 20.
  • the control unit 20 includes a CPU 101, a RAM 102, a storage device 103, an interface 104, and the like. Each of these devices is connected by a bus or the like.
  • a CPU (Central Processing Unit) 101 is a central processing unit.
  • the CPU 101 includes one or more cores.
  • a RAM (Random Access Memory) 102 is a volatile memory that temporarily stores programs executed by the CPU 101, data processed by the CPU 101, and the like.
  • the storage device 103 is a nonvolatile storage device.
  • the storage device 103 for example, a ROM (Read Only Memory), a solid state drive (SSD) such as a flash memory, a hard disk driven by a hard disk drive, or the like can be used.
  • a ROM Read Only Memory
  • SSD solid state drive
  • the CPU 101 executes the temperature measurement program stored in the storage device 103
  • an instruction unit 21, a temperature measurement unit 22, a correction unit 23, and the like are realized in the control unit 20.
  • the instruction unit 21, the temperature measurement unit 22, and the correction unit 23 may be hardware such as a dedicated circuit.
  • the laser 11 is a light source such as a semiconductor laser, and emits laser light in a predetermined wavelength range in accordance with an instruction from the instruction unit 21.
  • the laser 11 emits light pulses (laser pulses) at predetermined time intervals.
  • the beam splitter 12 makes the optical pulse emitted from the laser 11 enter the optical switch 13.
  • the optical switch 13 is a switch for switching the emission destination of the incident optical pulse, and injects the optical pulse alternately into the first end and the second end of the optical fiber 30 at a constant period in accordance with an instruction from the instruction unit 21.
  • the length of the optical fiber 30 is L meters (m)
  • the position of the first end is 0 meters (m)
  • the position of the second end is L meters (m).
  • the light pulse incident on the optical fiber 30 propagates through the optical fiber 30.
  • the light pulse gradually attenuates and propagates through the optical fiber 30 while generating forward scattered light traveling in the propagation direction and back scattered light (returned light) traveling in the feedback direction.
  • the backscattered light passes through the optical switch 13 and enters the beam splitter 12 again.
  • the backscattered light incident on the beam splitter 12 is emitted to the filter 14.
  • the filter 14 is a WDM coupler or the like, and extracts a long wavelength component (a Stokes component described later) and a short wavelength component (an anti-Stokes component described later) from the backscattered light.
  • the detectors 15a and 15b are light receiving elements.
  • the detector 15a converts the received light intensity of the short wavelength component of the backscattered light into an electrical signal and transmits it to the temperature measurement unit 22 and the correction unit 23.
  • the detector 15 b converts the received light intensity of the long wavelength component of the backscattered light into an electrical signal and transmits it to the temperature measurement unit 22 and the correction unit 23.
  • the correction unit 23 corrects the anti-Stokes component.
  • the temperature measurement unit 22 performs temperature measurement using the Stokes component and the anti-Stokes component.
  • FIG. 2 is a diagram showing components of backscattered light.
  • backscattered light is roughly classified into three types. These three types of light are in order of increasing light intensity and closer to the incident light wavelength, such as Rayleigh scattered light used for OTDR (optical pulse tester), Brillouin scattered light used for strain measurement, temperature measurement, etc.
  • Raman scattered light used in The Raman scattered light is generated by the interference between the lattice vibration in the optical fiber 30 that changes according to the temperature and the light. Short-wavelength components called anti-Stokes components are generated by the strengthening interference, and long-wavelength components called Stokes components are generated by the weakening interference.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating the relationship between the elapsed time after light pulse emission by the laser 11 and the light intensity of the Stokes component (long wavelength component) and the anti-Stokes component (short wavelength component).
  • the elapsed time corresponds to the propagation distance in the optical fiber 30 (position in the optical fiber 30).
  • the light intensities of the Stokes component and the anti-Stokes component both decrease with elapsed time. This is because the light pulse gradually attenuates and propagates through the optical fiber 30 while generating forward scattered light and back scattered light.
  • the light intensity of the anti-Stokes component is stronger than the Stokes component at a position where the temperature is high in the optical fiber 30, and compared to the Stokes component at a position where the temperature is low. Become weaker. Therefore, the temperature at each position in the optical fiber 30 can be detected by detecting both components with the detectors 15a and 15b and using the difference in characteristics between the two components.
  • the region showing the maximum is a region where the optical fiber 30 is intentionally heated with a dryer or the like in FIG.
  • region which shows minimum is an area
  • the temperature measurement unit 22 measures the temperature from the Stokes component and the anti-Stokes component for each elapsed time. Thereby, the temperature of each position in the optical fiber 30 can be measured.
  • the temperature measurement unit 22 measures the temperature at each position in the optical fiber 30 by calculating the temperature according to the following formula (1), for example.
  • FIG. 3B shows the temperature calculated using the detection result of FIG. 3A and the above equation (1).
  • the horizontal axis of FIG.3 (b) is the position in the optical fiber 30 calculated based on elapsed time.
  • the temperature at each position in the optical fiber 30 can be measured by detecting the Stokes component and the anti-Stokes component.
  • the laser 11 makes an optical pulse incident on the optical fiber 30 at a constant period.
  • the spatial resolution is improved as the pulse width of the light pulse is narrowed.
  • the temperature can be measured by the above equation (1).
  • the incident position is alternately switched between the first end and the second end at a constant cycle as in the present embodiment, the anti-Stokes light amount and the Stokes light amount are averaged at the position of each optical fiber 30 (calculation of the average value). )do it.
  • This switching method is called “loop measurement”, “double end measurement”, “dual end measurement”, or the like (hereinafter referred to as a double end method).
  • the above formula (1) may be changed to the following formula (2).
  • the anti-Stokes light amount and the Stokes light amount may be averaged at each position of the optical fiber 30 in the above formula (1).
  • the offset and gain can be set by using an average value or a larger value at the time of measurement at the end, or by newly calibrating.
  • Temperature Gain / ⁇ Offset-2 ⁇ ln (Average anti-Stokes light quantity / Average Stokes light quantity ⁇ (2)
  • Fig. 4 shows the detailed procedure of the double-ended method.
  • “01S” indicates a Stokes component when an optical pulse is incident from the first end (0 ⁇ L).
  • “01A” indicates an anti-Stokes component when an optical pulse is incident from the first end (0 ⁇ L).
  • “02S” indicates a Stokes component when an optical pulse is incident from the second end (L ⁇ 0).
  • “02A” indicates an anti-Stokes component when an optical pulse is incident from the second end (L ⁇ 0).
  • “02S” and “02A” can be obtained by inverting the light intensity “02S ′” and “02A ′” detected when the light pulse is incident from the second end with respect to the elapsed time. it can. The position can be unified by this inversion.
  • Fig. 5 shows the advantages of the double-ended method. If excessive bending occurs in the path, transmission loss occurs, and the light intensity sharply decreases at that point. When the light intensity sharply decreases, the ratio between the Stokes component and the anti-Stokes component changes, and the temperature calculated by the above equation (2) usually shifts in the decreasing direction.
  • the end-end method that is not a double-end method (hereinafter referred to as a single-end method)
  • the bending loss point to the second end On the side the output temperature for the same applied temperature decreases.
  • the pulse propagates from the second end (L meter) side to the first end (0 meter) side
  • the output temperature with respect to the same applied temperature decreases from the bending loss point to the first end side.
  • the temperature of the first end or the second end can be calibrated using a resistance temperature detector for calibration.
  • a resistance temperature detector for calibration.
  • difference of a value may arise far from the calibrated location.
  • the double end method the following merits can be obtained by taking an average. (1) The steep change before and after the bending loss point can be canceled, that is, the change in the length direction of the loss can be eliminated. (2) Since each starting temperature calibrated with a single-ended type resistance temperature detector and the temperature at the same position in the double-ended type should not change, the gain and offset value can be recalibrated to do so.
  • the optical fiber currently distributed does not have a non-uniform refractive index due to improved performance, transmission loss of different sizes may occur due to bending, tension, connector connection, etc. when laying on each target. Therefore, in order to accurately measure the temperature in the single-ended method, it is preferable to assign a unique calibration value to the section after each loss occurs. However, it is not possible to compensate for the loss that occurred during the measurement, but in the double-ended method, the occurrence of transmission loss affects the length of use, which is not desirable, but you do not have to worry about whether or not accurate measurement is possible. Good.
  • FIG. 6 shows a response example when a part of the optical fiber 30 is immersed in hot water of about 55 ° C. at a room temperature of about 24 ° C.
  • the peak temperature is 55 ° C. which is the same as that of hot water at about 2 m or more. Therefore, in order to measure an accurate temperature, it is preferable to lengthen the temperature measurement target section.
  • the sensitivity of the measurement system is defined by the following equation (3).
  • Sensitivity (peak temperature at hot water immersion position-room temperature measured with fiber before and after immersion position) / applied temperature x 100 (%) (3)
  • FIG. 7 a slight overshoot is observed. This is because the impulse response of the system is not Gaussian and has a negative component close to a sinc function and a higher-order peak, as will be described later.
  • the minimum length at which the sensitivity is 100% or can be considered is referred to as the minimum heating length.
  • the impulse response of the system is obtained.
  • FIG. 8 illustrates a typical example of the determined impulse response.
  • the impulse response can be regarded as a waveform that has been subjected to window function processing such that a position away from the center is attenuated cleanly in a sinc function.
  • the overshoot of the sensitivity curve in FIG. 7 is caused by this impulse response waveform. If this impulse response is convoluted with the applied temperature distribution along the length direction of the optical fiber 30, the output can be predicted almost accurately.
  • FIGS. 9A to 9C are diagrams illustrating a comparison between an output waveform estimated from an impulse response for each immersion length and an actually obtained output waveform. As illustrated in FIGS. 9A to 9C, the output waveform can be predicted almost accurately. In the 3.25 m immersion of FIG. 9A, the peak is flattened due to interference between impulse response convolutions.
  • FIG. 10 a section not applied to the center is provided for the two high temperature application sections of 20 cm (that is, in the case of immersion in hot water, it is taken out into the air), and the width of the section is gradually changed.
  • the minimum temperature in the central non-heating section becomes equal to the reference temperature, that is, the interference of the impulse response waveform can be ignored. This is a case where the width is larger than the interval width, for example, about the primary component width.
  • the zeroth-order component width is centered on that position. It is preferable to pay attention to the temperature change in the above-described range and the primary component width or less.
  • the light pulse propagates while gradually spreading and attenuating due to the influence of wavelength spread, incident angle of view, scattering, and the like. Therefore, it is preferable that the impulse response is measured and calculated at the center position when the fiber having the maximum usable length described in the specification of the optical fiber 30 is connected, or the impulse response is measured at the near end, the center, or the far end. It is preferable to take measures such as taking the average of the places.
  • a plurality of ranges in which the difference between the convolution and the output data as illustrated in FIGS. are preferably measured, calculated and stored at the center position of each section, and the stored impulse response is used for each section. Since the impulse response waveform changes slightly with the passage of time due to laser degradation or the like, it is preferable to calibrate the impulse response at the same position as the first acquisition for every predetermined period in order to measure temperature with higher accuracy. .
  • FIG. 11 shows an example of a temperature distribution when a pulse is incident from one end obtained by detection of backward Raman scattered light.
  • the waveform when entering from the first end (0 meter) illustrated in FIG. 1 and the waveform when entering from the second end (L meter) are illustrated in an overlapping manner.
  • the variation in the measured temperature is small near the first end, and the variation in the measured temperature increases toward the second end.
  • the variation in measured temperature is small near the second end, and the variation in measured temperature increases toward the first end.
  • the vicinity of 3000 m where the temperature change is large is a connector connection position where cleaning is insufficient, and the 4900 m point is a place immersed in hot water.
  • the optical fiber 30 is wound around a plurality of bobbins to form a path, and since the average temperatures thereof are slightly different, a plurality of steps are generated. As can be seen from FIG. 11, the further away from the light source, the larger the variation and the lower the measurement accuracy.
  • FIG. 12 shows the temperature obtained by averaging (calculating an average value) the Stokes component and the anti-Stokes component of the two signals incident from both ends of FIG.
  • the averaging calculates an average value
  • the Stokes component and the anti-Stokes component of the two signals incident from both ends of FIG. By the averaging, the decrease in the measurement accuracy of the end point is moderated as compared with FIG. 11, but does not reach the end point on the good side.
  • FIG. 13 quantitatively illustrates the measurement accuracy. This is the value of the standard deviation 3 ⁇ calculated using the values of 100 m for each of the three flat portions where there is no temperature change. It can be confirmed that the average (loop type) is an average value of the value when incident from 0 (m) and the value when incident from L (m).
  • a bandpass filter that cuts both low and high frequencies (and midrange) other than the required signal band, and a noise model are designed, and an effective signal band is determined based on it.
  • applications such as adaptive filters to extract.
  • FIG. 14 the temperature distribution of the immersion section of the L meter side one end with less noise extracted from FIG. 11 and the flat temperature portion near 200 m extracted from FIG. 12 are illustrated. The fluctuation of the temperature of the flat temperature part is due to noise.
  • the measurement of the double end method is performed, as described above, in addition to the problem that the measurement accuracy of the end near the light source is poor compared to the vicinity of the center. There is a problem in that attenuation of the signal component itself is unavoidable even if some filtering process is added for relaxation.
  • FIG. 16 illustrates Stokes components and anti-Stokes components, which are original signals for calculating the temperature distribution illustrated in FIGS. 9A to 9C.
  • the Stokes component “01S” and the anti-Stokes component “01A” when the light pulse is incident on the first end the Stokes component “02S” and the anti-Stokes component “01” when the light pulse is incident on the second end.
  • 02A "is exemplified.
  • the following formula (4) is illustrated on the second axis. 02A- (01A + (02S-01S)) (4)
  • FIGS. 17 (a) to 17 (c) are other data in which a section different from that in FIG. 16 is immersed in hot water when a light pulse is incident from the first end (0 ⁇ L). While FIG. 17A shows an appropriate temperature distribution, the difference between FIG. 17B and FIG. 17C is whether the temperature continues to increase or decreases as the far end is reached. Has occurred. The amount of attenuation in the length direction of the anti-Stokes component is changed so as to be small in FIG. 17B and large in FIG. Regardless of the single-ended method or double-ended method, the output temperature distribution must be substantially the same except for noise components. Therefore, the correction of the loss of the anti-Stokes component is adjusted so as to have a distribution as shown in FIG. In this case, the attenuation values in the length direction of the Stokes component and the anti-Stokes component are substantially equal.
  • FIGS. 17A to 17C is a case where an optical pulse is incident from the first end (0 ⁇ L), but even when an optical pulse is incident from the second end (L ⁇ 0). The same can be said. Therefore, since the total attenuation from the incident end to the exit end is the same for both the incident from the 0 (m) side and the incident from the L (m) side, the equation (4) in FIG. It can be seen that it is probable that the value is almost zero.
  • FIG. 18 (a) and 18 (b) show enlarged views of 4800m to 5100m in FIG. FIG. 18B is different from FIG. 16 and illustrates the measured temperature obtained using the following equation (5).
  • the signal intensity is lower when the light pulse is incident from the first end side, and the noise is reduced.
  • FIG. 18 (a) and FIG. 18 (b) it appears that it is changing with a certain variation regardless of the influence of the temperature change. Accordingly, it can be said that 01A can be estimated to a certain extent using the other three components together with the estimation from FIGS. 17 (a) to 17 (c).
  • FIG. 19 attention is now focused on the Stokes component (01S in FIG. 18A) and the anti-Stokes component (01A in FIG. 18A) when the pulse is incident from the first end (0 ⁇ L).
  • the value of Pearson's product-moment correlation coefficient is shown in a data range of ⁇ 2 m centering on the current position.
  • 01A considering 01A as a reference, if at least one pair of three signals 01S, 02A, and 02S has a high correlation, it is considered that a significant temperature change has occurred. It is done. That is, when the correlation is low, it is considered that the temperature does not change or is changing slowly, so that even if estimation using the above three components is performed, there is no difference in output.
  • the noise component is the next largest.
  • the change in temperature means that the Stokes component and the anti-Stokes component change in synchronization with the length direction of the optical fiber 30.
  • the synchronization range can be limited, it can be considered that the other regions do not change with respect to the temperature of the adjacent fiber position on the light source side, or that the inclination changes gently.
  • Optical fiber temperature measurement by detection of back Raman scattered light may show approximately the same minimum heating length response within a certain interval.
  • the fiber having the minimum heating length is heated more than around the constant temperature, a waveform almost the same as the impulse response of FIG. 6 is obtained.
  • the range interference range
  • the range that affects the surroundings within the range of the 0th-order component width where the gradient is reversed and the 1st-order component width where the amplitude is attenuated to almost zero.
  • the maximum averaging range is set as “a range of the zeroth-order component width or more and the first-order component width or less in which the amplitude is attenuated to substantially zero”, and the number of averaging elements corresponding to the magnitude of the correlation ( Noise is reduced by determining an averaging range) and replacing the averaged position with a value averaged around the currently focused position in accordance with the number of averaged elements. Further, when an optical pulse is incident from the 0 meter (first end) side, the vicinity of the L meter (second end) is the far end.
  • FIG. 20 is an example of a flowchart executed when the temperature measuring device 100 measures the temperature.
  • the optical fiber 30 is used.
  • the temperature measuring apparatus 100 executes the flowchart of FIG. 20 for each of the three sections.
  • the correction unit 23 determines whether or not the section of the focused optical fiber is the first section that is 1/3 or less of the total length of the optical fiber 30 (step S1). When it is determined as “Yes” in step S1, the correction unit 23 sets the predetermined range set to be not less than the zeroth-order component width and not more than the first-order component width of the minimum heating length response waveform with each sample point in the first section as the center. The magnitude of the correlation (specified range) is obtained for each sample point. The sample point is a temperature measurement target point in the length direction of the optical fiber 30. First, the correction unit 23 obtains a correlation coefficient between 02S and 01S and a correlation coefficient between 02S and 01A at each sample point, and holds the smaller correlation coefficient as ⁇ — 02S (step S2). Next, the correction unit 23 obtains the correlation coefficient between 02A and 01S and the correlation coefficient between 02A and 01A at each sample point, and holds the smaller correlation coefficient as ⁇ — 02A (step S3).
  • Pearson's product moment correlation coefficient can be used.
  • the Pearson product moment correlation coefficient in the case of 02A and 01S is expressed by the following equation (6).
  • Correlation coefficient ⁇ (covariance of 02A in the same range as 01S in the specified range) / (standard deviation of 01S in the same range) / (standard deviation of 02A in the same range) (6)
  • the Pearson product moment correlation coefficient centered on the sample point k of the optical fiber 30 is ⁇ [k]
  • the 01S array is 01S [k]
  • the 02A array is 02A [k]
  • the number of samples in the specified range is n
  • the above formula (6) can be specifically expressed as the following formula (7).
  • the modified Spearman rank correlation coefficient when using the modified Spearman rank correlation coefficient, first, in the specified range (n in the above formula (7)), 01S and 02A are ranked among the n. Pearson's product moment correlation coefficient is used for the ranks. When there is the same rank, the correction formula is used. Usually, the Stokes component and the anti-Stokes component hardly occur at the same rank, and therefore, the process of making the first occurrence higher may be used.
  • ⁇ 3.6 m is set as a range that matches the above condition, and comparison of Pearson's product-moment correlation coefficient and Spearman's rank correlation coefficient with respect to the data in FIG. Is illustrated in FIG.
  • the Pearson product moment correlation coefficient is 1 or ⁇ 1
  • a perfect correlation a high correlation of 0.7 to less than 1 in absolute value
  • a correlation of 0.4 to less than 0.7, 2 to less than 0.4 is treated as low correlation
  • 0.2 or less is treated as no correlation.
  • the slope of Spearman changes more in the region of 0.2 or less where there is no correlation, it is almost 1: 1 for the value of 0.3 or more in the low correlation range. Produces equivalent results. If it is standardized, it may be made by itself or of course using other correlation coefficients.
  • the correction unit 23 determines whether or not the correlation coefficient ⁇ — 02A is equal to or less than a predetermined value (for example, 0.2 or less) at each sample point (step S4). When it is determined as “Yes” in step S4, the correction unit 23 replaces 02A with the alternative 02A at the sample point (step S5).
  • a predetermined value for example, 0.2 or less
  • the alternative 02A can be represented by the following formula (8).
  • Alternative 02A 01A + (AVERAGE1 (02S) ⁇ 01S) + (AVERAGE2 (02A) ⁇ AVERAGE2 (01A)) ⁇ (AVERAGE2 (02S) ⁇ AVERAGE2 (01S)) (8)
  • AVERAGE1 is an average whose interval is variable according to the signal quality of the sample point of interest.
  • AVERAGE2 is an average of fixed widths centered on the sample point currently focused on.
  • the correction unit 23 determines the averaging range of AVERAGE 1 according to the small correlation coefficient between 02S and 01S and the small correlation coefficient between 02S and 01A.
  • an integer sample obtained by rounding 1 / ⁇ — 02S may be used as the average range of AVERAGE1.
  • the average range of AVERAGE 1 becomes larger as the correlation coefficient of the position currently focused on is smaller.
  • the upper limit value of the averaging range of AVERAGE 1 is preferably in the range of the zeroth-order component width or more and the first-order component width in which the amplitude is attenuated to almost zero as described above.
  • the alternative 02A uses the second term with AVERAGE1 (02S) as 02S in the formula “02A ⁇ (01A + (02S-01S)” used to describe the second axis in FIG.
  • the slight offset value AVERAGE2 (02A)-(AVERAGE2 (01A)-(AVERAGE2 (02S) -AVERAGE2 (01S))) in item 2 is subtracted.
  • the average range is larger than the average range of AVERAGE 1 at the center.
  • step S5 After the execution of step S5 or when determined “No” in step S4, the temperature measurement unit 22 uses the average value of 01S and 02S as the average Stokes component and the average value of 01A and 02A as the anti-Stokes component. Then, the temperature is measured using the above formula (2) (step S6). That is, if “Yes” is determined in step S4, the temperature is calculated after 02A is replaced with alternative 02A, and if “No” is determined in step S4, 02A is replaced with alternative 02A. Without calculating the temperature.
  • the reliability value is relatively weighted with less noise, and noise can be removed.
  • the larger one may be used and an average may be used. The smaller one means that the data other than the one that seems to be a temperature change is averaged, and the larger one means that the slight change data buried in the noise is not removed as much as possible. That's it.
  • the correction unit 23 determines whether or not the section of the optical fiber of interest is a third section that is 2/3 or more of the total length of the optical fiber 30 (Step S ⁇ b> 1). S7).
  • 02S corresponds to 01S
  • 02A corresponds to 01A. Therefore, if “Yes” is determined in Step S7, the correction unit 23 replaces 02S and 01S, replaces 02A and 01A, and performs the same processing as Steps S2 to S6 (Step S8). Therefore, when the correlation coefficient ⁇ _01A is a predetermined value (for example, 0.2 or less), 01A is replaced with an alternative 01A of the following formula (9).
  • the first term and the second term on the right side use the above-mentioned three signals, and the third term is a correction term for the slightly generated offset.
  • the slight offset term is not exactly divided into the correction of the attenuation amount of the anti-Stokes component with respect to the Stokes component in the case of the single-end method described with reference to FIGS. This is the same when a light pulse is incident from the opposite L meter (second end) side. Therefore, the offset component is removed using a wide averaging range AVERAGE2.
  • the alternative 01A Is obtained by subtracting this component, and the same can be said for the alternative 02A in the first section described above, where the alternative 01A is expressed by the following formula (10). Is equal to equation (9).
  • Alternative 01A 02A + (AVERAGE1 (01S) ⁇ 02S) + (AVERAGE2 (02S) ⁇ AVERAGE2 (01S)) ⁇ (AVERAGE2 (02A) ⁇ AVERAGE2 (01A)) (10)
  • the temperature measurement unit 22 sets the average value of 01S and 02S as an average Stokes component, and sets the average value of 01A and 02A as an anti-Stokes component, and the above equation (2). Using this, the temperature is measured (step S9).
  • the reciprocal of the magnitude of the correlation coefficient is used as an index of the averaging range, but the reciprocal may not necessarily be used.
  • the averaging range may be relatively narrowed as the correlation coefficient is large, and the averaging range may be relatively large as the correlation coefficient is small.
  • the averaging range of AVERAGE 1 may be a fixed interval regardless of the signal quality of the sample points.
  • the procedure for determining whether to replace 02A with the alternative 02A using ⁇ _02A in step S4 the procedure for determining whether to replace 01A with the alternative 01A using ⁇ _01A in step S8 are exactly the same, and AVERAGE2 It is also the same that the averaging range of is larger than the averaging range of AVERAGE1.
  • FIG. 22 is another example of a flowchart executed when the temperature measuring unit 100 measures the temperature.
  • FIG. 22 is different from FIG. 20 in that, when “No” is determined in step S4, the averaging ranges of 02S and 02A are each an integer sample rounded to 1 / ⁇ — 02S on one side and averaged. This is a point to be replaced with a value (step S10).
  • step S10 step S6 is executed.
  • FIG. 23 is another example of a flowchart executed when the temperature measuring apparatus 100 measures the temperature.
  • the difference between FIG. 23 and FIG. 22 will be described.
  • the optical fiber 30 is divided into a first section, a third section in the center, and an L meter (second end) where the measurement precision near 0 meter (first end) is poor.
  • the correction unit 23 executes the flowchart of FIG. 23 for each of the five sections.
  • the correcting unit 23 determines whether or not the section of the focused optical fiber is the first section that is 1/5 or less of the total length of the optical fiber 30 (step S11). If it is determined as “Yes” in step S11, the correction unit 23 executes steps S12 to S14 of the same processing as steps S2 to S4.
  • the predetermined value used in step S14 is referred to as a first threshold value.
  • amendment part 23 performs step S15 of the process similar to step S5.
  • step S14 determines whether or not the correlation coefficient ⁇ — 02A is equal to or larger than a second threshold value (for example, 0.55) larger than the value 1 used in step S14. (Step S16). If it is determined as “Yes” in step S16 or after execution of step S15, step S17 of the same process as step S6 is executed. If “No” is determined in step S16, step S18 of the same process as step S10 is executed. After execution of step S18, step S17 is executed. In S16, even if ⁇ _02A is equal to or greater than the second threshold value, ⁇ _02S may be a small value. In this case, similarly to S18, the averaged range on one side may be replaced with a value averaged as an integer part rounded to 1 / ⁇ — 02S.
  • a second threshold value for example, 0.55
  • the correcting unit 23 determines whether or not the section of the optical fiber of interest is 4/5 or more of the total length of the optical fiber 30 (Step S19). If “Yes” is determined in step S19, the same processing as in steps S12 to S18 is executed after the procedure of replacing 02S and 01S and replacing 02A and 01A in steps S12 to S18 ( Step S20).
  • step S21 determines whether or not the section of interest is 2/5 or less of the total length of the optical fiber 30 or 3/5 or more. Determination is made (step S21). If “Yes” in step S21 and 2/5 or less of the total length, the same processing as in steps S12 to S18 is executed. However, different values are used as the threshold for the correlation coefficient and the averaging upper limit. If “Yes” in step S21 and 3/5 or more of the total length, the same processing as in step S20 is executed. However, different values are used as the threshold for the correlation coefficient and the averaging upper limit. Thereby, the correction
  • the averaging range is set to be equal to or smaller than the primary component width of the minimum heating length. This is due to the possibility that the averaged signal is greatly affected by the crosstalk of adjacent signals beyond that.
  • the obtained correlation coefficient is ⁇ 1
  • it is usually classified as perfect correlation, but in the present application, it is treated as noise. This is because, for example, when the temperature rises, both Stokes and anti-Stokes protrude upward, and when the temperature decreases, both protrude downward. In this case, the anti-Stokes will not have a shape that inverts the Stokes component upside down. In such a case, it is usually a noise state or a poorly connected connector or a fiber with a large refractive index difference. This is because it is only for fusion or connector connection.
  • the division is set to 3 or 5.
  • two divisions divided at the center four divisions obtained by further halving each division, and eight divisions that are half of the division may be used.
  • 01S, 01A, 02S, and 02A all have no central section in which the temperature is calculated without any processing.
  • the correlation coefficient between 02A and 01S in a predetermined region including sample points of a partial region on the first end side When at least one of the correlation coefficients between 02A and 01A is equal to or less than the threshold value, 02A is replaced with an alternative value corresponding to 01S, 01A, and 02S. In this case, when noise appears large in 02A, 02A is replaced with a value corresponding to 01S, 01A, and 02S with less noise. Thereby, noise of 02A can be reduced.
  • 01S and 01A are components immediately before 02A with respect to the switch by the optical switch 13.
  • the components are not limited to just before and may be components before 02A.
  • the component after 02A may be sufficient.
  • 02S and 02A are preferably components immediately before 01A with respect to the switch by the optical switch 13, but are not limited to just before and may be components before 01A.
  • the component after 01A may be sufficient.
  • the condition for replacement of 02A may be whether or not at least one of 02A and 01A, 02S and 01S, 02S and 01A is equal to or less than a threshold.
  • the replacement condition for 01A may be, for example, whether or not at least one of 01S and 02A, 01A and 02A, 01S and 02S, 01S and 02A is equal to or less than a threshold value.
  • the average value of the Stokes component and the anti-Stokes component is obtained in the averaging range, but it is only necessary to suppress the variation in data in the range. Therefore, other averages such as an arithmetic average considering weighting, a geometric average, and a harmonic average may be used. In addition, when obtaining an average value of 01S and 02S and an average value of 01A and 02A, an arithmetic average considering weighting may be used.
  • the temperature measurement apparatus 100 can be applied to various temperature measurement objects.
  • FIG. 24 it is conceivable to lay an optical fiber in a branch pipe of a high-temperature and high-pressure raw material transport pipe.
  • heat insulation and protection are provided by the racking material and the outer metal plate, so even if leakage occurs due to corrosion of the connection joint, it does not lead to a serious situation that leads to fire accidents, etc. Often not found. Therefore, it is wrapped around the connection joint of the optical fiber, and by comparing the correlation between changes in the temperature at each optical fiber position, even if the outside air temperature or the internal temperature / pressure changes, the leakage of the connection can be accurately performed.
  • Presence or absence can be detected early.
  • a means for comparing the correlation between the temperatures of the respective optical fiber positions there is a method of generating a dispersion covariance matrix using the temperature of each optical fiber position as an element and performing an outlier test by a method such as Mahalanobis distance or MSD method.
  • FIG. 25 exemplifies application to a method of measuring the passing air temperature by a number of winding parts manufactured with a single optical fiber. Each wound portion is wound around the same place several times with substantially the same diameter and is connected to the adjacent wound portion. What temperature distribution should be obtained if the average temperature of each winding unit is acquired using the measuring device 10 and the control unit 20 according to the above embodiment and gradation is generated as the representative temperature of the center position coordinates of each winding unit? It is possible to measure whether or not the wind passes through the sheet / frame where the fiber is laid. As the number of turns wound around each winding part is increased, the number of measurement points to be averaged is increased and the apparent measurement accuracy is improved, so that a desired measurement accuracy can be obtained in a short time measurement.
  • the attenuation of the incident pulse is reduced, so that the measurement accuracy is improved.
  • the output temperature data itself is required to be highly accurate. If the above embodiment is applied, this requirement can be realized.
  • FIGS. 26 (a) and 26 (b) exemplify an example in which a fiber net in which a large number of winding parts manufactured using heat-resistant fibers are connected is laid on the surface of the melting furnace. Each fiber net is connected, but the fiber at the inlet end and the outlet end of the two nets at the end is connected to the measuring machine 10 and the control unit 20 to perform a double-end measurement.
  • the relationship between the positions of the nets 1 to 3 and the temperature distribution is displayed in the two-dimensional gradation shown in FIG. 26B, and the generated two-dimensional gradation is generated at a position corresponding to the direction of each net with respect to the reference direction of the melting furnace. By fitting, the surface temperature of the melting furnace can be visualized easily.
  • the Mahalanobis distance is calculated using the time transition of the relative relationship between the temperature changes of the winding portions of each net, as in the application example of FIG. Even in the case of analyzing a sign of abnormality from a change or a change in a value calculated by the MSD method, temperature measurement can be performed with high accuracy.
  • FIGS. 27 (a) and 27 (b) illustrate application to a system that performs air conditioning management using optical fibers laid in a straight line above the server rack in the data center.
  • installation may not be permitted for server racks. Therefore, as illustrated in FIGS. 27A and 27B, the optical fiber is laid in a straight line or a certain amount of meandering to the exhaust surface side, etc., on the intake surface of the server rack. Then, the temperature of the rack part is measured in advance by some method, and the length of the optical fiber corresponding to the upper part of each rack is determined by associating the number of margins with the installed optical fiber. Set the alarm threshold.
  • the server rack is generally about 60 cm or 70 cm.
  • the number of measurement points is only one or two points. is required.
  • temperature measurement can be performed with high accuracy.
  • control that can increase the margin by increasing the air conditioning becomes possible, and both energy saving and safety can be achieved.
  • FIG. 28 illustrates the application to the cultivation of high-quality fruits and theft prevention in a greenhouse.
  • the example of FIG. 28 is based on the premise of cultivation of crown melon, for example.
  • An optical fiber for measuring soil temperature, ambient temperature, fruit temperature, etc. is installed, and an optical fiber for humidity management using the same principle as a moisture meter is installed, and temperature and temperature are measured using Raman scattering. Humidity can be measured.
  • the measurement accuracy of the system is required to be good.
  • the time value transition of each temperature is managed in detail and integrated value management is performed to perform good growth, it is required that the measurement accuracy of the system is also good. This requirement can be realized by using the above embodiment.
  • FIG. 29A shows a comparison between 01S and 01A before and after processing.
  • FIG. 29A although variation was observed on the far end side before the processing, the variation was suppressed after the processing.
  • FIG. 29 (b) is an enlarged view of the vicinity of a region immersed in hot water.
  • FIG. 29B especially for the anti-Stokes component, the variation before the processing was greatly suppressed after the processing.
  • FIG. 29 (c) is a comparison before and after processing for 02S and 02A.
  • FIG. 29C although variation was observed in the vicinity of 0 (m) which is the far end, the variation was suppressed after processing.
  • FIG. 29 (d) is an enlargement of a region immersed in hot water. As illustrated in FIG. 29 (d), it is slightly improved as compared with FIG. 29 (b), but it is almost no processing. This is because the noise component is small because of the near end.
  • FIG. 30 and 31 show the relationship between the number of one-side average elements of 01A and 02A determined based on the processing of FIGS. 22 and 23.
  • FIG. 31 is a partially enlarged view of FIG.
  • the number of one-side average elements corresponds to 1 / ⁇ _01A and 1 / ⁇ _02A.
  • the alternative 01A and the alternative 02A are used in sections of 3/5 or more and sections of less than 2/5, respectively.
  • FIG. 31 is compared with FIG. 29 (a) to FIG. 29 (d), and it can be seen that when the temperature change occurs and both the Stokes component and the anti-Stokes component change, both take almost the same value.
  • FIGS. 32 and 33 show the double-ended temperature calculated from FIGS. 29 (a) to 29 (d), 30 and 31.
  • FIG. Looking at FIG. 32 and FIG. 33 which is an enlarged view of the portion immersed in hot water, it can be seen that the noise component is suppressed without losing the temperature change component.
  • the temperature in FIGS. 32 and 33 was calculated by the above equation (2). Since the number of averaging elements is 1 at a position where the correlation coefficient is 1, the temperature before and after the treatment does not change. Therefore, since the gain and the offset value used after the substitution processing need to be the same as those used before the substitution processing, they are expressed by the following formula (11).
  • Processed temperature Gain / ⁇ Offset-2 ⁇ ln (Processed average anti-Stokes light quantity / Processed average Stokes light quantity) ⁇ (11)
  • FIG. 34 shows a quantitative comparison of the temperature distribution before and after the treatment. Since there is no change before and after the process in any case at the temperature change position, the standard deviation value 3 ⁇ at the flat portion is compared. As illustrated in FIG. 34, the value does not change in the normal temperature calculation section of 2800 m to 2900 m, but noise suppression of 83% or more is achieved in the processed section. In the case of the suppression effect of 83% obtained by the processing of the above embodiment, the measurement accuracy is 1 / 5.9. Therefore, in the case of the same measurement accuracy, the measurement time is set to 35 before the processing. , The image is compressed so that it becomes 1 after processing. Further, in the measurement by the double end method in FIG. 11, the positions of 100 m to 200 m and 5600 m to 5700 m are three times as large as the measurement accuracy of the center 2800 m to 2900 m position. In addition, the measurement accuracy on both sides is doubled.
  • Example 1 A specific example of a temperature distribution obtained at a measurement object and a measurement cycle different from Example 1 will be described.
  • the applied processing method is almost the same as that in the first embodiment, but the section is set to two overlapping sections of less than 3/5 of the total length and 2/5 or more. Thereby, in the overlapped section, if the magnitude of the correlation is small, all of 01A, 01S, 02A and 02S are replaced.
  • FIG. 35 (a) to FIG. 35 (d) illustrate calculation results.
  • FIG. 35A shows a comparison between 01S and 01A before and after processing.
  • FIG. 35B is an enlarged view of the vicinity of the heating region.
  • FIG. 35 (b) especially for the anti-Stokes component, the variation before the processing was greatly suppressed after the processing.
  • FIG. 35 (c) is a comparison before and after the process for 02S and 02A.
  • FIG. 35 (d) is an enlargement of a region immersed in hot water.
  • the process is slightly improved as compared with FIG. 35B, but almost no processing. This is because the noise component is small because of the near end.
  • FIG. 36 and 37 show the relationship between the number of one-side average elements of 01A and 02A determined based on the processing of FIGS. 22 and 23.
  • FIG. 37 is a partially enlarged view of FIG. It corresponds to 1 / ⁇ _01A and 1 / ⁇ _02A, and when the number of averaging elements is 3 or more, the alternative 01A and the alternative 02A are used in a section of 2/5 or more and a section of less than 3/5, respectively. Yes.
  • FIG. 37 is compared with FIGS. 35 (a) to 35 (d), and when the temperature change occurs and both the Stokes component and the anti-Stokes component change, both take almost the same value. However, because the change in 01S is considered noise for small temperature changes during large temperature changes, the number of averaging elements associated with 02A is somewhat larger than that associated with 01A.
  • FIGS. 38 and 39 show the temperature calculated from the double-end method of FIGS. 35 (a) to 35 (d), 36 and 37.
  • FIG. 40 illustrates a quantitative comparison of the temperature distribution before and after the treatment. Since there is no change before and after the process in any case at the temperature change position, the standard deviation value 3 ⁇ at the flat portion is compared. Due to the overlap, slight improvement was seen even in the middle 2800m to 2900m. In the central section, noise is superimposed on both 01A and 02A, so it is considered that there was not much improvement even if the values were replaced with each other. On the other hand, noise suppression of 86% or more is achieved in the sections on both sides. On the contrary, the accuracy of both sides is 1.5 times or more by the processing of the above embodiment.

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Abstract

温度測定装置は、光ファイバの第１端に光が入射する場合の後方散乱光から第１ストークス成分および第１アンチストークス成分を検出し、光ファイバの第２端に光が入射する場合の後方散乱光から第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を検出する検出器と、光ファイバの第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、第１ストークス成分および第１アンチストークス成分と、第２アンチストークス成分との相関の少なくともいずれかの大きさが閾値以下の場合に、第２アンチストークス成分を、第１ストークス成分と、第１アンチストークス成分と、第２ストークス成分とに応じた値に置き換える補正部と、第１ストークス成分、第１アンチストークス成分、第２ストークス成分、および補正部によって置き換えられた後の第２アンチストークス成分を用いてサンプル点における温度を測定する測定部と、を備える。

Description

温度測定装置、温度測定方法および温度測定プログラム
　本件は、温度測定装置、温度測定方法および温度測定プログラムに関する。
　光源から光ファイバに光を入射した際に当該光ファイバからの後方ラマン散乱光を用いて光ファイバの温度を測定する技術が開発されている（例えば、特許文献１～６参照）。
特開２００３－１４５５４号公報 特開２００３－５７１２６号公報 特開昭６２－１１０１６０号公報 特開平７－１２６５５号公報 特開平２－１２３３０４号公報 特開２００２－２６７２４２号公報
　上記技術で測定された温度に対して補正などの後処理を行おうとすると、例えばノイズの抑圧とともに信号成分も減衰するなどのおそれが生じる。すなわち、測定される温度を補正することが困難である。
　本件は上記課題に鑑みなされたものであり、測定される温度を補正することができる温度測定装置、温度測定方法および温度測定プログラムを提供することを目的とする。
　１つの態様では、温度測定装置は、光ファイバの第１端に光が入射する場合の後方散乱光から第１ストークス成分および第１アンチストークス成分を検出し、前記光ファイバの第２端に光が入射する場合の後方散乱光から第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を検出する検出器と、前記光ファイバの前記第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分と、前記第２アンチストークス成分との相関の少なくともいずれかの大きさが閾値以下の場合に、前記第２アンチストークス成分を、前記第１ストークス成分と、前記第１アンチストークス成分と、前記第２ストークス成分とに応じた値に置き換える補正部と、前記第１ストークス成分、前記第１アンチストークス成分、前記第２ストークス成分、および前記補正部によって置き換えられた後の前記第２アンチストークス成分を用いて前記サンプル点における温度を測定する測定部と、を備える。
　測定される温度を補正することができる。
（ａ）は実施形態に係る温度測定装置の全体構成を表す概略図であり、（ｂ）は制御部のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。 後方散乱光の成分を表す図である。 （ａ）はレーザによる光パルス発光後の経過時間と、ストークス成分およびアンチストークス成分の光強度との関係を例示する図であり、（ｂ）は（ａ）の検出結果および式（１）を用いて算出した温度である。 ダブルエンド方式の詳細な手続きを表す。 ダブルエンド方式の利点を表す。 室温約２４℃時に光ファイバの一部区間を約５５℃のお湯に浸漬した場合の応答例を示す。 図６および式（３）から得られる結果を例示する図である。 インパルス応答の典型例を例示する。 （ａ）～（ｃ）は各浸漬長に対してインパルス応答から推定した出力波形と、実際に得られた出力波形との比較を例示する図である。 ２つの２０ｃｍの高温印加区間に対して、中央に印加しない区間を設け、その区間の幅を徐々に変化させたときの出力波形の計算値を例示する。 後方ラマン散乱光検出によって得た片端からパルスを入射した場合の温度分布の一例を示す。 図１１の両端から入射した２つの信号のストークス成分およびアンチストークス成分をそれぞれ平均化して温度を算出した図である。 測定精度を定量的に例示する。 図１１から抽出したノイズの少ないＬメートル側片端のお湯への浸漬区画の温度分布と、図１２から抽出した２００ｍ近傍の平坦温度部を重ねて例示する図である。 ２つの波形のパワースペクトルを例示する図である。 図９（ａ）～図９（ｃ）で例示した温度分布を算出する元信号であるストークス成分およびアンチストークス成分を例示する図である。 （ａ）～（ｃ）は第１端から光パルスを入射した場合において図１６とは別の区間をお湯に浸漬した別のデータである。 図１６の４８００ｍ～５１００ｍの拡大図である。 図１６の４８００ｍ～５１００ｍの拡大図である。 Ｐｅａｒｓｏｎの積率相関係数の値を示したものである。 温度測定部が測定した温度を補正部が補正する際に実行するフローチャートの一例である。 図１６のデータに対してＰｅａｒｓｏｎの積率相関係数とＳｐｅａｒｍａｎの順位相関係数の比較を例示する図である。 温度測定部が測定した温度を補正部が補正する際に実行するフローチャートの他の例である。 温度測定部が測定した温度を補正部が補正する際に実行するフローチャートの他の例である。 他の適用例を例示する図である。 他の適用例を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は他の適用例を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は他の適用例を例示する図である。 他の適用例を例示する図である。 （ａ）～（ｄ）は算出結果を例示する図である。 ０１Ａおよび０２Ａの片側平均化要素数の関係を示す図である。 ０１Ａおよび０２Ａの片側平均化要素数の関係を示す図である。 ダブルエンド方式の温度算出結果を例示する図である。 ダブルエンド方式の温度算出結果を例示する図である。 処理前後の温度分布の定量的な比較を示す図である。 （ａ）～（ｄ）は算出結果を例示する図である。 ０１Ａおよび０２Ａの片側平均化要素数の関係を示す図である。 ０１Ａおよび０２Ａの片側平均化要素数の関係を示す図である。 ダブルエンド方式の温度算出結果を例示する図である。 ダブルエンド方式の温度算出結果を例示する図である。 処理前後の温度分布の定量的な比較を示す図である。
　以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。
（実施形態）
　図１（ａ）は、実施形態に係る温度測定装置１００の全体構成を表す概略図である。図１（ａ）で例示するように、温度測定装置１００は、測定機１０、制御部２０などを備える。温度測定装置１００は、光ファイバ３０に接続されている。測定機１０は、レーザ１１、ビームスプリッタ１２、光スイッチ１３、フィルタ１４、複数の検出器１５ａ，１５ｂなどを備える。制御部２０は、指示部２１、温度測定部２２、補正部２３などを備える。
　図１（ｂ）は、制御部２０のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図１（ｂ）で例示するように、制御部２０は、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２、記憶装置１０３、インタフェース１０４などを備える。これらの各機器は、バスなどによって接続されている。ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）１０１は、中央演算処理装置である。ＣＰＵ１０１は、１以上のコアを含む。ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）１０２は、ＣＰＵ１０１が実行するプログラム、ＣＰＵ１０１が処理するデータなどを一時的に記憶する揮発性メモリである。記憶装置１０３は、不揮発性記憶装置である。記憶装置１０３として、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどのソリッド・ステート・ドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスクドライブに駆動されるハードディスクなどを用いることができる。ＣＰＵ１０１が記憶装置１０３に記憶されている温度測定プログラムを実行することによって、制御部２０に指示部２１、温度測定部２２、補正部２３などが実現される。なお、指示部２１、温度測定部２２および補正部２３は、専用の回路などのハードウェアであってもよい。
　レーザ１１は、半導体レーザなどの光源であり、指示部２１の指示に従って所定の波長範囲のレーザ光を出射する。本実施形態においては、レーザ１１は、所定の時間間隔で光パルス（レーザパルス）を出射する。ビームスプリッタ１２は、レーザ１１が出射した光パルスを光スイッチ１３に入射する。光スイッチ１３は、入射された光パルスの出射先を切り替えるスイッチであり、指示部２１の指示に従って光ファイバ３０の第１端および第２端に一定周期で交互に光パルスを入射する。なお、本実施形態においては、光ファイバ３０の長さをＬメートル（ｍ）とし、第１端の位置を０メートル（ｍ）とし、第２端の位置をＬメートル（ｍ）とする。
　光ファイバ３０に入射した光パルスは、光ファイバ３０を伝搬する。光パルスは、伝搬方向に進行する前方散乱光および帰還方向に進行する後方散乱光（戻り光）を生成しながら徐々に減衰して光ファイバ３０内を伝搬する。後方散乱光は、光スイッチ１３を通過してビームスプリッタ１２に再度入射する。ビームスプリッタ１２に入射した後方散乱光は、フィルタ１４に対して出射される。フィルタ１４は、ＷＤＭカプラなどであり、後方散乱光を長波長成分（後述するストークス成分）と短波長成分（後述するアンチストークス成分）とを抽出する。検出器１５ａ，１５ｂは、受光素子である。検出器１５ａは、後方散乱光の短波長成分の受光強度を電気信号に変換して温度測定部２２および補正部２３に送信する。検出器１５ｂは、後方散乱光の長波長成分の受光強度を電気信号に変換して温度測定部２２および補正部２３に送信する。補正部２３は、アンチストークス成分を補正する。温度測定部２２は、ストークス成分およびアンチストークス成分を用いて温度測定を行う。
　図２は、後方散乱光の成分を表す図である。図２で例示するように、後方散乱光は、大きく３種類に分類される。これら３種類の光は、光強度の高い順かつ入射光波長に近い順に、ＯＴＤＲ（光パルス試験器）などに使用されるレイリー散乱光、歪測定などに使用されるブリルアン散乱光、温度測定などに使用されるラマン散乱光である。ラマン散乱光は、温度に応じて変化する光ファイバ３０内の格子振動と光との干渉で生成される。強めあう干渉によりアンチストークス成分と呼ばれる短波長成分が生成され、弱めあう干渉によりストークス成分とよばれる長波長成分が生成される。
　図３（ａ）は、レーザ１１による光パルス発光後の経過時間と、ストークス成分（長波長成分）およびアンチストークス成分（短波長成分）の光強度との関係を例示する図である。経過時間は、光ファイバ３０における伝搬距離（光ファイバ３０における位置）に対応している。図３（ａ）で例示するように、ストークス成分およびアンチストークス成分の光強度は、両方とも経過時間とともに低減する。これは、光パルスが前方散乱光および後方散乱光を生成しながら徐々に減衰して光ファイバ３０内を伝搬することに起因する。
　図３（ａ）で例示するように、アンチストークス成分の光強度は光ファイバ３０において高温になる位置では、ストークス成分と比較してより強くなり、低温になる位置では、ストークス成分と比較してより弱くなる。したがって、両成分を検出器１５ａ，１５ｂで検出し、両成分の特性差を利用することによって、光ファイバ３０内の各位置の温度を検出することができる。なお、図３（ａ）において、極大を示す領域は、図１（ａ）においてドライヤなどで光ファイバ３０を意図的に加熱した領域である。また、極小を示す領域は、図１（ａ）において冷水などで光ファイバ３０を意図的に冷却した領域である。
　本実施形態においては、温度測定部２２は、経過時間ごとにストークス成分とアンチストークス成分とから温度を測定する。それにより、光ファイバ３０内における各位置の温度を測定することができる。温度測定部２２は、例えば、下記式（１）に従って温度を算出することによって、光ファイバ３０内の各位置の温度を測定する。光量は、光強度に対応している。２つの成分の比を用いることで微弱な成分の差が強調され、実用的な値を得ることができる。なお、ゲインおよびオフセットは、光ファイバ３０の仕様に依存するため、予め較正しておけばよい。
温度＝ゲイン／｛オフセット－２×ｌｎ（アンチストークス光量／ストークス光量｝｝　　（１）
　図３（ｂ）は、図３（ａ）の検出結果および上記式（１）を用いて算出した温度である。図３（ｂ）の横軸は、経過時間を基に算出した光ファイバ３０内の位置である。図３（ｂ）で例示するように、ストークス成分およびアンチストークス成分を検出することによって、光ファイバ３０内の各位置の温度を測定することができる。レーザ１１は、例えば一定周期で光パルスを光ファイバ３０に入射する。空間分解能は、光パルスのパルス幅が狭いほど向上する。他方、パルス幅が狭いほど光量が小さく（＝暗く）なるので、その分パルスの尖塔値を高くする必要が生じ、上記式のゲインが非線形となる応答に変わる。
　光スイッチ１３からの光ファイバ３０への入射位置が第１端または第２端で固定されていれば、上記式（１）での温度測定が可能である。本実施形態のように入射位置を一定周期で第１端と第２端とで交互に切り替える場合には、アンチストークス光量とストークス光量とを各光ファイバ３０の位置で平均化（平均値の算出）すればよい。この切替による方式は、「ループ式測定」や、「ダブルエンド測定」や、「デュアルエンド測定」などと呼ばれる（以下、ダブルエンド方式と称する）。
　ダブルエンド方式では、上記式（１）を、下記式（２）のように変更すればよい。すなわち、上記式（１）においてアンチストークス光量およびストークス光量を光ファイバ３０の各位置で平均化すればよい。オフセットおよびゲインは、方端時の測定時の平均値や大きい方の値を用いたり、新たに較正したりするなどで設定することができる。
温度＝ゲイン／｛オフセット－２×ｌｎ（平均アンチストークス光量／平均ストークス光量｝｝　　（２）
　図４は、ダブルエンド方式の詳細な手続きを表す。「０１Ｓ」は、第１端から光パルスを入射した場合（０→Ｌ）のストークス成分を示す。「０１Ａ」は、第１端から光パルスを入射した場合（０→Ｌ）のアンチストークス成分を示す。「０２Ｓ」は、第２端から光パルスを入射した場合（Ｌ→０）のストークス成分を示す。「０２Ａ」は、第２端から光パルスを入射した場合（Ｌ→０）のアンチストークス成分を示す。なお、「０２Ｓ」および「０２Ａ」は、第２端から光パルスを入射した場合に検出される光強度「０２Ｓ´」および「０２Ａ´」を、経過時間に対して反転させることによって得ることができる。この反転によって、位置を統一することができる。
　図５は、ダブルエンド方式の利点を表す。経路中に過大な曲げが発生すると伝送損失が発生し、当該地点で光強度が急峻に低下する。光強度が急峻に低下すると、ストークス成分とアンチストークス成分との比が変わり、上記式（２）で算出される温度は通常、低下する方向にずれる。ダブルエンド方式でない方端方式（以下、シングルエンド方式と称する）では、第１端（０メートル）側から第２端（Ｌメートル）側にパルスが伝搬する場合は、曲げ損失点から第２端側において、同一印加温度に対する出力温度が低下する。一方、第２端（Ｌメートル）側から第１端（０メートル）側にパルスが伝搬する場合は、曲げ損失点から第１端側において、同一印加温度に対する出力温度が低下する。
　例えば、較正用の測温抵抗体などを用いて、第１端または第２端の温度を較正することができる。ところで、シングルエンド方式では、較正された箇所よりも遠方で値のずれが生じるおそれがある。これに対して、ダブルエンド方式では、平均を取ることで、以下のメリットが得られる。（１）曲げ損失点前後の急峻な変化を打ち消すことができる、つまり、損失の長さ方向の変化を解消できる。（２）シングルエンド方式の測温抵抗体で較正された各始端温度とダブルエンド方式の同じ位置の温度は変わらないはずであるから、そうなるようにゲインやオフセット値を再較正できる。
　現在流通している光ファイバは性能が向上して屈折率の不均一等はないものの、各対象への敷設で曲げや引張、コネクタ接続などにより異なる大きさの伝送損失が発生することがある。したがって、シングルエンド方式では正確な温度を測定するには、各損失発生後の区間にそれぞれ独自の較正値を付与することが好ましい。しかしながら、測定最中に発生した損失に対する補償はできないが、ダブルエンド方式では伝送損失の発生は使用長さに影響するので好ましくないものの、正確な測定が出来ないか否かを心配しなくてもよい。
　続いて、光ファイバにおける温度測定対象区間長と、ラマン散乱光から得られる測定温度との関係を例示する。図６は、室温約２４℃時に光ファイバ３０の一部区間を約５５℃のお湯に浸漬した場合の応答例を示す。０．５ｍから１０．５ｍまで浸漬長を長くしていく場合に、約２ｍ以上で、ピーク温度がお湯と同じ５５℃となる。したがって、正確な温度を測定するためには、温度測定対象区間を長くすることが好ましい。
　正確な湯温から正確な室温を差し引いた温度を光ファイバ３０への印加温度とすると、測定系の感度は下記式（３）で定義される。
感度＝（お湯浸漬位置のピーク温度－浸漬位置前後のファイバで測定した室温）／印加温度×１００（％）　　（３）
　図６および上記式（３）から得られる結果を図７に示す。図７で例示するように、わずかにオーバーシュートが見られる。これは、後述するように、システムのインパルス応答がガウシアンではなく、ｓｉｎｃ関数に近い負の成分および高次のピークを持つ波形のためである。感度１００％となる、もしくはみなせる最小長さを最小加熱長と称する。
　図６によれば、一定温度区間内に高温印加区間（＝お湯浸漬区間）を設けた際の温度は、単一方形波に対してインパルス応答を畳み込んだものと等価とみなすことができる。それにより、システムのインパルス応答が求まる。図８は、求めたインパルス応答の典型例を例示する。後方ラマン散乱光を用いた光ファイバの温度測定においては、図８で例示するように、インパルス応答はｓｉｎｃ関数に中心から離れた位置がきれいに減衰するような窓関数処理をした波形とみなせる。図７の感度曲線のオーバーシュートは、このインパルス応答波形に起因して生ずる。光ファイバ３０の長さ方向に沿った印加温度分布に対してこのインパルス応答を畳み込めば、ほぼ正確な出力予測が出来る。
　図９（ａ）～図９（ｃ）は、各浸漬長に対してインパルス応答から推定した出力波形と、実際に得られた出力波形との比較を例示する図である。図９（ａ）～図９（ｃ）で例示するように、出力波形はほぼ正確に予測できている。図９（ａ）の３．２５ｍの浸漬ではインパルス応答の畳込どうしが干渉したことでピークが平坦化している。
　そこで、図１０には、２つの２０ｃｍの高温印加区間に対して、中央に印加しない区間を設け（つまり、お湯の浸漬でいえば空気中に出すということ）、その区間の幅を徐々に変化させたときの出力波形の計算値を例示する。ピーク温度を１とし、基準温度を０として規格化している。図１０で例示するように、１．２～１．４ｍの区間が空くと高温印加区間は２つある、とみなすことができる。これは、図８で例示したインパルス応答波形の拡がりによる干渉の結果である。高温印加区間が２つとみなせるのは、図１０のインパルス応答の半値幅以上に離間した場合である。明確に離間したと判定するためには、勾配が逆転する０次成分幅の半値以上が好ましい。図１０において、中央の非加熱区間の最低温度が基準温度と等しくなる、つまり、インパルス応答波形の干渉が無視できるようになるのは、図１０から、２つの高温印加区間の間隔が１次ピーク間幅よりも大きく、たとえば１次成分幅程度になった場合である。
　したがって、現在着目している光ファイバ位置で伝達関数の作用により温度が変化している、つまり、正しく温度が出力されている、と判断するには、その位置を中心にして、０次成分幅以上、かつ、１次成分幅以下の範囲の温度変化に着目することが好ましい。光パルスは、波長拡がりや入射画角、散乱などの影響で徐々に拡がってかつ減衰しながら伝搬される。そのため、インパルス応答は、光ファイバ３０の仕様に記載された最大使用長のファイバを接続したときの中央位置で測定・算出したものとすることが好ましく、または近端と中央、遠端の３か所の平均とするなどで対応することが好ましい。
　より高精度に温度を測定するためには、たとえば図９（ａ）～図９（ｃ）で例示するような畳み込みと出力データとの比較が問題ない程度の差異である範囲は同じとみなせる複数の区間を定め、各区間の中心位置で測定・算出して保存しておき、それぞれの区間ごとにそれぞれ保存したインパルス応答を用いる、などとすることが好ましい。時間の経過とともに、インパルス応答波形はレーザの劣化等により僅かに変化するため、さらに高精度に温度を測定するためには、一定期間ごとにインパルス応答を初回取得と同じ位置で較正することが好ましい。
　図１１は、後方ラマン散乱光検出によって得た片端からパルスを入射した場合の温度分布の一例を示す。図１１では、図１で例示した第１端（０メートル）から入射した場合の波形と、第２端（Ｌメートル）から入射した場合の波形とが重ねて例示してある。第１端から入射した場合には、第１端近傍においては測定温度のばらつきが小さく、第２端に向けて測定温度のばらつきが大きくなる。一方、第２端から入射した場合には、第２端近傍においては測定温度のばらつきが小さく、第１端に向けて測定温度のばらつきが大きくなる。温度変化の大きい３０００ｍ近傍は、清掃が不十分なコネクタ接続位置であり、４９００ｍ地点はお湯に浸漬した箇所である。この例では光ファイバ３０が複数のボビンに巻かれて経路が構成され、かつ、それらの平均温度が微妙に異なるために、複数の段差が生じている。図１１によれば、光源から離れるほど、ばらつきが大きくなっており、測定精度が低下していることがわかる。
　図１２は、図１１の両端から入射した２つの信号のストークス成分およびアンチストークス成分をそれぞれ平均化（平均値を算出）して温度を算出したものである。平均化により、端点の測定精度の低下は図１１よりも緩和されたが、良好な側の端点には及ばない。図１３は、測定精度を定量的に例示する。それぞれ温度変化のない平坦部３か所各１００ｍの値を用いて算出した標準偏差３σの値である。平均（ループ式）は０（ｍ）から入射した場合の値とＬ（ｍ）から入射した場合の値の平均値となっていることが確認できる。
　後方ラマン散乱光検出による光ファイバを用いた温度測定は、トンネルや石炭ベルトコンベアの火災異常検知等に用いられる。火災検知は±６℃でも問題はないが、たとえば、±１℃を必要とする場合、測定時間を（６÷１）２＝３６倍掛ければよい。たとえば、図１３の測定精度が２０秒で得られるレベルの機器ならば１２分、１分間で得られるレベルの機器ならば３６分を掛けて測定することで、±１℃を得るが、リアルタイムに該当する時間ではなく、用途は限定される。より幅広い分野に活用するには、高価な光源やフィルタ、回路等の部品を使用せずに、後処理によって測定精度を向上させることが好ましい。
　ノイズ低減のための後処理としては、必要な信号帯域以外は低域高域（および中域）ともにカットしてしまうバンドパスフィルタや、ノイズモデルを設計し、それを基に有効な信号帯域を抽出する適応フィルタなどの適用がある。ここで、図１４に、図１１から抽出したノイズの少ないＬメートル側片端のお湯への浸漬区画の温度分布と、図１２から抽出した２００ｍ近傍の平坦温度部を重ねて例示する。平坦温度部の温度の振れはノイズによるものである。
　これらのデータは、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）時のエイリアシングの影響を最小化するため信号の両側を減衰させている。波形の非線形は、サンプリングが約５０ｃｍ間隔であることに拠る。これら２つの波形のパワースペクトルを図１５に例示する。図１５で例示するように、ノイズと信号成分の帯域は重複している。つまり、いかなるフィルタ処理でもノイズの抑圧とともに信号成分も減衰してしまう。お湯の温度と浸漬長が既知ならば良好なノイズ圧縮が可能だが、光ファイバに付与される温度分布のパターンはあらかじめ定まるものではない。後方ラマン散乱光検出による光ファイバの温度測定において、ダブルエンド方式の測定を行った際には、上記の通り、中央近傍に比べて光源に近い端部の測定精度が悪い問題に加えて、その緩和のためになんらかのフィルタ処理を加えようとしても、信号成分自体の減衰も避けられないという問題がある。
　図１６に図９（ａ）～図９（ｃ）で例示した温度分布を算出する元信号であるストークス成分およびアンチストークス成分を例示する。図１６においては、第１端に光パルスを入射する場合のストークス成分「０１Ｓ」、アンチストークス成分「０１Ａ」、第２端に光パルスを入射する場合のストークス成分「０２Ｓ」、アンチストークス成分「０２Ａ」が例示されている。さらに、第２軸に下記式（４）を例示する。
０２Ａ－（０１Ａ＋（０２Ｓ－０１Ｓ））　　　　（４）
　図１６では、０１Ａと０２Ａとの差と、０１Ｓと０２Ｓとの差がほぼ等しく、かつ、０１Ｓと０１Ａとの差と、０２Ｓと０２Ａとの差がほぼ等しいように見える。そこで、このことが正しいのか否かを実際に確認するために、上記式（４）を用いてグラフ化してある。図１６によれば、上記式（４）は測定区間内でノイズが印加されるが、ほぼゼロで推移していることがわかる。
　このことについて、図１７（ａ）～図１７（ｃ）を用いて説明する。図１７（ａ）～図１７（ｃ）は、第１端から光パルスを入射した場合（０→Ｌ）において、図１６とは別の区間をお湯に浸漬した別のデータである。図１７（ａ）は適正な温度分布になっているのに対して、図１７（ｂ）および図１７（ｃ）は遠端になるにつれて温度が上昇し続けるか、下降し続けるかの違いが生じている。アンチストークス成分の長さ方向の減衰量は、図１７（ａ）に対して図１７（ｂ）では小さく、図１７（ｃ）では大きくなるように変更されている。シングルエンド方式でもダブルエンド方式でも、出力される温度分布は、ノイズ成分を除けばほぼ同じでなければならない。したがって、アンチストークス成分の損失の補正は、図１７（ａ）のような分布となるように調整される。この場合、ストークス成分およびアンチストークス成分の長さ方向に対する減衰値は、ほぼ等しくなる。
　図１７（ａ）～図１７（ｃ）の例は、第１端から光パルスを入射した場合（０→Ｌ）であるが、第２端から光パルスを入射した場合（Ｌ→０）でも同じことが言える。したがって、入射端から射出端までのトータルの減衰量は０（ｍ）側からの入射の場合もＬ（ｍ）側からの入射の場合も等しいことから、図１６において、上記式（４）がほぼ値が０で推移することが確からしいということがわかる。
　図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、図１６の４８００ｍ～５１００ｍの拡大図を示す。図１８（ｂ）は、図１６と異なり、下記式（５）を用いて得られた測定温度を例示する。これは、光ファイバ長約６０００（ｍ）のうち、図１８（ａ）および図１８（ｂ）の区間は第１端側から光パルスを入射した場合の方が、信号強度が低下し、ノイズが大きくなるので、そのノイズが大きい２つの信号のうちのノイズが大きい０１Ａを対象としたいためである。
０１Ａ－（０２Ａ＋（０１Ｓ－０２Ｓ））　　　　（５））
　図１８（ａ）および図１８（ｂ）からわかるように、温度変化の影響に関わらず、一定のばらつきで推移しているように見える。したがって、図１７（ａ）～図１７（ｃ）からの推定と併せて０１Ａは他の３つの成分を用いて一定程度推定可能と言える。
　そこで、どのような場合に、どのように推定するのか、について、説明する。図１９には、第１端からパルス入射した場合（０→Ｌ）の、ストークス成分（図１８（ａ）の０１Ｓ)とアンチストークス成分（図１８（ａ）の０１Ａ）について、現在着目している位置を中心に±２ｍのデータ範囲でＰｅａｒｓｏｎの積率相関係数の値を示したものである。図１９によれば、たとえば０１Ａを基準に考えると、０１Ｓ、０２Ａ、０２Ｓの３つの信号に対してのうち、少なくとも１つのペアにおいて、相関が高い場合は有意な温度変化が生じていると考えられる。つまり、相関が低い場合は、温度変化が生じていないか、緩やかに変化している状態と考えられるため、上記３つの成分を用いた推定をおこなっても出力に差異は生じない。
　相関が低い場合に、たとえば６０００ｍ（第２端）近傍の、０ｍ（第１端）から光パルスを入射した遠端近傍で０１Ａを置換対象とする場合に、ノイズ成分が次に大きいのは図１８（ａ）によれば、０１Ｓである。前述したように、温度が変化する、ということは、ストークス成分とアンチストークス成分とが光ファイバ３０の長さ方向に同期して変化するということである。つまり、その同期の範囲を限定できれば、その他の領域は光源側の隣接するファイバ位置の温度に対して変化していない、もしくは、なだらかに傾きが変わっているだけ、と考えることができる。
　そこで、図６～８で説明した最小加熱長に着目することができる。後方ラマン散乱光の検出による光ファイバ温度測定は、一定区間内はほぼ同じ最小加熱長応答を示すとしてもよい。最小加熱長のファイバを一定温度周囲よりも加熱すると、図６のインパルス応答とほぼ同じ波形が得られる。その、周囲に影響を及ぼす範囲（干渉範囲）は、前述のとおり、勾配が逆転する０次成分幅以上、かつ、振幅がほぼゼロに減衰する１次成分幅以下の範囲に着目することが好ましい。
　そこで、０１Ｓに対しては、最大の平均化範囲を「０次成分幅以上かつ振幅がほぼゼロに減衰する１次成分幅以下の範囲」として、相関の大きさに応じた平均化要素数（平均化範囲）を決定し、その平均化要素数に応じて現在着目している位置を中心に平均化した値で置き換えることでノイズを低減する。また、０メートル（第１端）側から光パルスを入射した場合にはＬメートル（第２端）近傍が遠端になる。そこで、０１Ａを基準として置換するか否か、その際の０１Ｓの処理、０２Ｓおよび０２Ａの活用を考えるが、Ｌメートル（第２端）側から光パルスを入射した場合は０メートル（第１端）付近が遠端になるため、０２Ａを基準として考える。
　図２０は、温度測定装置１００が温度測定する際に実行するフローチャートの一例である。まず、一例として、出荷前のダブルエンド方式における光ファイバ３０の長さ方向の測定精度分布もしくは機種の代表機のダブルエンド方式における光ファイバ３０の長さ方向の測定精度分布に基づき、光ファイバ３０を、０メートル（第１端）近傍の測定精度が劣る第１区間、中央の第２区間、Ｌメートル（第２端）近傍の測定精度が劣る第３区間に均等に分ける。温度測定装置１００は、３つの各区間について図２０のフローチャートを実行する。
　まず、補正部２３は、着目している光ファイバの区間が光ファイバ３０の総長の１／３以下の第１区間であるか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１で「Ｙｅｓ」と判定された場合、補正部２３は、第１区間の各サンプル点を中心として、最小加熱長応答波形の０次成分幅以上かつ１次成分幅以下に設定した所定範囲（指定範囲）の相関の大きさをサンプル点ごとに求める。サンプル点とは、光ファイバ３０の長さ方向における温度測定対象点である。まず、補正部２３は、各サンプル点において、０２Ｓと０１Ｓとの相関係数および０２Ｓと０１Ａとの相関係数を求め、小さい方の相関係数をα＿０２Ｓとして保持する（ステップＳ２）。次に、補正部２３は、各サンプル点において、０２Ａと０１Ｓとの相関係数および０２Ａと０１Ａとの相関係数を求め、小さい方の相関係数をα＿０２Ａとして保持する（ステップＳ３）。
　相関の大きさの求め方はさまざまであるが、たとえば、Ｐｅａｒｓｏｎの積率相関係数を用いることができる。０２Ａと０１Ｓの場合のＰｅａｒｓｏｎの積率相関係数式を下記式（６）で表す。
相関係数α＝（指定範囲の０１Ｓと同範囲の０２Ａの共分散）／（同範囲の０１Ｓの標準偏差）／（同範囲の０２Ａの標準偏差）　　（６）
　光ファイバ３０のサンプル点ｋを中心としたＰｅａｒｓｏｎの積率相関係数をα[ｋ]、０１Ｓの配列を０１Ｓ[ｋ]、０２Ａの配列を０２Ａ[ｋ]、指定範囲のサンプル数をｎ、０１Ｓ[ｋ]の指定範囲平均を０１Ｓａｖｅ、０２Ａ[ｋ]の指定範囲平均を０２Ａａｖｅとすると、上記式（６）は具体的に、下記式（７）のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　別の例として、変形のＳｐｅａｒｍａｎの順位相関係数を用いる場合には、まず、指定範囲（上記式（７）ではｎ）内の０１Ｓおよび０２Ａの、そのｎ個の中での順位付を行い、その順位どうしについて、Ｐｅａｒｓｏｎの積率相関係数を使うものである。同一順位がある場合は、補正式を使用するが、通常、ストークス成分およびアンチストークス成分に関しては、同一順位の発生はほぼ皆無であるため、最初に出現した方を上位とするという処理でよい。
　たとえば、図６のインパルス応答で示される区間に上記条件に合致する範囲として±３．６ｍを設定し、図１６のデータに対してＰｅａｒｓｏｎの積率相関係数とＳｐｅａｒｍａｎの順位相関係数の比較を図２１に例示する。一般的に、Ｐｅａｒｓｏｎの積率相関係数は１もしくは－１のときを完全な相関、以下絶対値で０．７以上１未満を高い相関、０．４以上０．７未満を相関、０．２以上０．４未満を低い相関、０．２以下を相関無し、として扱う。しかしながら、相関無しの０．２以下の領域ではＳｐｅａｒｍａｎの方がより傾きが変化してしまうものの、低い相関範囲の０．３以上の値ではほぼ１：１となっており、図１６に対しては同等の結果をもたらす。規格化されていれば自作してもよいし、その他の相関係数を用いてももちろん構わない。
　次に、補正部２３は、各サンプル点において、相関係数α＿０２Ａが所定の値以下（例えば０．２以下）であるか否かを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ４で「Ｙｅｓ」と判定された場合、補正部２３は、当該サンプル点において、０２Ａを代替０２Ａで置き換える（ステップＳ５）。
　代替０２Ａは、下記式（８）で表すことができる。
代替０２Ａ＝０１Ａ＋（ＡＶＥＲＡＧＥ１（０２Ｓ）－０１Ｓ）＋（ＡＶＥＲＡＧＥ２（０２Ａ）－ＡＶＥＲＡＧＥ２（０１Ａ））－（ＡＶＥＲＡＧＥ２（０２Ｓ）－ＡＶＥＲＡＧＥ２（０１Ｓ））　　　　（８）
　ＡＶＥＲＡＧＥ１は、現在着目しているサンプル点の信号品質に応じて区間が可変の平均である。ＡＶＥＲＡＧＥ２は、現在着目しているサンプル点を中心とした固定幅の平均である。補正部２３は、０２Ｓと０１Ｓとの相関係数の小ささ、および０２Ｓと０１Ａとの相関係数の小ささに応じてＡＶＥＲＡＧＥ１の平均化範囲を決める。例えば、１／α＿０２Ｓを四捨五入して得た整数サンプル分をＡＶＥＲＡＧＥ１の平均化範囲としてもよい。この場合、現在着目している位置の相関係数が小さければ小さい程ＡＶＥＲＡＧＥ１の平均化範囲は大きくなる。ただし、ＡＶＥＲＡＧＥ１の平均化範囲の上限値は上記のように、０次成分幅以上かつ振幅がほぼゼロに減衰する１次成分幅以下の範囲とすることが好ましい。
　代替０２Ａは、図１６の第２軸の説明に使用した式「０２Ａ－（０１Ａ＋（０２Ｓ－０１Ｓ）の０２ＳをＡＶＥＲＡＧＥ１（０２Ｓ）として、第２項を使用し、さらに、この第１項目と第２項のわずかなオフセット値ＡＶＥＲＡＧＥ２（０２Ａ）－（ＡＶＥＲＡＧＥ２（０１Ａ）－（ＡＶＥＲＡＧＥ２（０２Ｓ）－ＡＶＥＲＡＧＥ２（０１Ｓ）））を差し引いた値とする。ＡＶＥＲＡＧＥ２の平均化範囲は現在着目している位置を中心とした、ＡＶＥＲＡＧＥ１の平均化範囲よりも大きな平均化範囲である。
　ステップＳ５の実行後、またはステップＳ４で「Ｎｏ」と判定された場合、温度測定部２２は、０１Ｓと０２Ｓとの平均値を平均ストークス成分とし、０１Ａと０２Ａとの平均値をアンチストークス成分として、上記式（２）を用いて温度を測定する（ステップＳ６）。すなわち、ステップＳ４で「Ｙｅｓ」と判定された場合には、０２Ａが代替０２Ａで置き換えられた後に温度が算出され、ステップＳ４で「Ｎｏ」と判定された場合には、０２Ａを代替０２Ａで置き換えずに温度が算出される。
　以上の処理により、ノイズが少なく信頼性の値を相対的に重み付けすることになり、ノイズを除去することができる。なお、ステップＳ２およびステップＳ３でいずれか小さい方を用いたが、大きい方であってもよく、平均を用いてもよい。小さい方にするということは、確実に温度変化と見られるもの以外のデータを平均化することであり、大きい方を用いるということは、ノイズに埋もれたわずかな変化のデータも可能な限り除去しないというものである。
　ステップＳ１で「Ｎｏ」と判定された場合、補正部２３は、着目している光ファイバの区間が光ファイバ３０の総長の２／３以上の第３区間であるか否かを判定する（ステップＳ７）。第３区間では、０２Ｓが０１Ｓに相当し、０２Ａが０１Ａに相当する。そこで、テップＳ７で「Ｙｅｓ」と判定された場合、補正部２３は、０２Ｓと０１Ｓと入れ替え、０２Ａと０１Ａとを入れ替え、ステップＳ２～ステップＳ６と同様の処理を行う（ステップＳ８）。したがって、相関係数α＿０１Ａが所定の値（例えば０．２以下）である場合、０１Ａが下記式（９）の代替０１Ａに置き換わる。
代替０１Ａ＝０２Ａ－（０２Ｓ－ＡＶＥＲＡＧＥ１（０１Ｓ））－（ＡＶＥＲＡＧＥ２（０２Ａ）－ＡＶＥＲＡＧＥ２（０１Ａ））＋（ＡＶＥＲＡＧＥ２（０２Ｓ）－ＡＶＥＲＡＧＥ２（０１Ｓ））　　　　（９）
　なお、右辺の第１項および第２項が前述した３つの信号を使用したものであり、第３項はわずかに生じたオフセットの補正項である。わずかなオフセット項は、図１６および図１７で説明したシングルエンド方式の場合のストークス成分に対するアンチストークス成分の減衰量の補正は、きっちりと仕切れるわけではない。これは、逆のＬメートル（第２端）側から光パルスを入射した場合も同じである。そこで、広い平均化範囲ＡＶＥＲＡＧＥ２を用いて、オフセット成分を除去するものである。
　具体的に、オフセット成分は、Δ０１Ａ≒０１Ａ－（０２Ａ＋（０１Ｓ－０２Ｓ）≒－（ＡＶＥＲＡＧＥ２（０２Ａ）－ＡＶＥＲＡＧＥ２（０１Ａ））＋（ＡＶＥＲＡＧＥ２（０２Ｓ）－ＡＶＥＲＡＧＥ２（０１Ｓ））であるため、代替０１Ａは、この成分を差し引いたものである。これは、前述の第１区間における代替０２Ａについても同様のことが言える。なお、代替０１Ａは、下記式（１０）で表される。式（１０）は、式（９）と等しい。
代替０１Ａ＝０２Ａ＋（ＡＶＥＲＡＧＥ１（０１Ｓ）－０２Ｓ）＋（ＡＶＥＲＡＧＥ２（０２Ｓ）－ＡＶＥＲＡＧＥ２（０１Ｓ））－（ＡＶＥＲＡＧＥ２（０２Ａ）－ＡＶＥＲＡＧＥ２（０１Ａ））　　　　（１０）
　ステップＳ７で「Ｎｏ」と判定された場合、温度測定部２２は、０１Ｓと０２Ｓとの平均値を平均ストークス成分とし、０１Ａと０２Ａとの平均値をアンチストークス成分として、上記式（２）を用いて温度を測定する（ステップＳ９）。なお、図２０では相関係数の大きさの逆数を平均化範囲の指標としたが、必ずしも逆数を用いなくてもよい。相関係数が大きいほど平均化範囲を相対的に狭くし、相関係数が小さいほど平均化範囲を相対的に大きくすればよい。さらには、ＡＶＥＲＡＧＥ１の平均化範囲をサンプル点の信号品質によらず、固定区間としてもよい。その場合もステップＳ４におけるα＿０２Ａを用いて０２Ａを代替０２Ａで置き換えるかを決定する手続き、ステップＳ８におけるα＿０１Ａを用いて０１Ａを代替０１Ａで置き換えるかを決定する手続きについては全く同じであり、また、ＡＶＥＲＡＧＥ２の平均化範囲がＡＶＥＲＡＧＥ１の平均化範囲よりも大きいことも同じである。
　図２２は、温度測定部１００が温度測定する際に実行するフローチャートの他の例である。図２２が図２０と異なる点は、ステップＳ４で「Ｎｏ」と判定された場合に、０２Ｓおよび０２Ａそれぞれの平均化範囲を、片側について、１／α＿０２Ｓの四捨五入した整数サンプル分とし、平均化した値と置き換える点である（ステップＳ１０）。ステップＳ１０の実行後には、ステップＳ６が実行される。これにより、遠端のアンチストークス成分と他の成分の相関が所定の値以上の場合には、遠端のアンチストークス成分、ストークス成分ともに、その相関係数の大きさに応じた平均化範囲で平均した値と置き換わる。これにより、遠端のノイズ的な変動のアンチストークス成分だけでなく、ストークス成分のノイズ低減も可能になる。
　図２３は、温度測定装置１００が温度測定する際に実行するフローチャートの他の例である。図２３が図２２と異なる点について説明する。まず、光ファイバ３０の長さ方向の測定精度分布に基づき、光ファイバ３０を、０メートル（第１端）近傍の測定精度が劣る第１区間、中央の第３区間、Ｌメートル(第２端)近傍の測定精度が劣る第５区間、第１区間と第３区間との間の第２区間、第３区間と第５区間との間の第４区間に均等に分ける。補正部２３は、５つの各区間について図２３のフローチャートを実行する。
　まず、補正部２３は、着目している光ファイバの区間が光ファイバ３０の総長の１／５以下の第１区間であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１で「Ｙｅｓ」と判定された場合、補正部２３は、ステップＳ２～ステップＳ４と同様の処理のステップＳ１２～ステップＳ１４を実行する。なお、ステップＳ１４で用いる所定の値を第１閾値と称する。ステップＳ１４で「Ｙｅｓ」と判定された場合、補正部２３は、ステップＳ５と同様の処理のステップＳ１５を実行する。
　ステップＳ１４で「Ｎｏ」と判定された場合、補正部２３は、相関係数α＿０２Ａが、ステップＳ１４で用いた値１よりも大きい第２閾値（例えば０．５５）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１６で「Ｙｅｓ」と判定された場合またはステップＳ１５の実行後、ステップＳ６と同様の処理のステップＳ１７が実行される。ステップＳ１６で「Ｎｏ」と判定された場合、ステップＳ１０と同様の処理のステップＳ１８が実行される。ステップＳ１８の実行後、ステップＳ１７が実行される。なお、Ｓ１６において、α＿０２Ａが第２閾値以上であったとしても、α＿０２Ｓは小さい値である可能性がある。この場合、Ｓ１８と同様に、片側の平均化範囲を１／α＿０２Ｓの四捨五入した整数部分として平均化した値と置き換えてもよい。
　ステップＳ１１で「Ｎｏ」と判定された場合、補正部２３は、着目している光ファイバの区間が光ファイバ３０の総長の４／５以上であるか否かを判定する（ステップＳ１９）。ステップＳ１９で「Ｙｅｓ」と判定された場合、ステップＳ１２～ステップＳ１８と同様の処理を、ステップＳ１２～ステップＳ１８において、０２Ｓと０１Ｓとを置き換え、０２Ａと０１Ａとを置き換え、の手続き後に実行する（ステップＳ２０）。
　ステップＳ１９で「Ｎｏ」と判定された場合、補正部２３は、着目している区間が光ファイバ３０の総長の２／５以下であるか否か、もしくは３／５以上であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。ステップＳ２１で「Ｙｅｓ」であり、かつ総長の２／５以下である場合、ステップＳ１２～Ｓ１８と同様の処理を実行する。ただし、相関係数に対する閾値や平均化上限値として異なる値を用いる。ステップＳ２１で「Ｙｅｓ」であり、かつ総長の３／５以上である場合、ステップＳ２０と同様の処理を実行する。ただし、相関係数に対する閾値や平均化上限値として異なる値を用いる。それにより、区間毎に変化する最小加熱長に対する補正を行うことができる。ステップＳ２１で「Ｎｏ」と判定された場合、ステップＳ９と同様の処理のステップＳ２３が実行される。
　なお、図２０、図２２および図２３では、平均化範囲を最小加熱長の１次成分幅以下とした。これは、それを超えると平均化信号が隣接信号のクロストークの影響を大きく受ける可能性が高くなることに起因する。なお、たとえば、得られた相関係数が－１の場合は通常完全な相関に分類されるが、本願では、ノイズとして扱う。なぜならば、たとえば、温度上昇の場合、ストークスもアンチストークスも上に凸になり、温度低下の場合は両者とも下に凸になる。この場合、アンチストークスがストークスの成分を上下反転させたような形状になることはなく、そのような場合は通常、ノイズ状態か、もしくは、接続不良のコネクタや、屈折率差の大きいファイバどうしを融着やコネクタ接続するときのみであるためである。
　図２０、図２２および図２３では区画の分割を３または５としたが、たとえば中心で分割した２区画や、その各区画をさらに半分にした４区画、さらにその半分の８区画などでも構わない。その場合は、０１Ｓ、０１Ａ、０２Ｓ、および０２Ａがすべて処理なしで温度が算出される中央区間がなくなるだけである。
　本実施形態によれば、ダブルエンド方式を用い、第２端に光パルスを入射する場合に第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、０２Ａと０１Ｓとの相関係数および０２Ａと０１Ａとの相関係数の少なくともいずれかが閾値以下である場合に、０２Ａが０１Ｓ、０１Ａ、および０２Ｓに応じた代替値に置き換わる。この場合、０２Ａにノイズが大きく現れる場合に、０２Ａがノイズの少ない０１Ｓ、０１Ａおよび０２Ｓに応じた値に置き換わる。それにより、０２Ａのノイズを低減することができる。一方、第１端に光パルスを入射する場合に第２端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、０１Ａと０２Ｓとの相関係数および０１Ａと０２Ａとの相関係数の少なくともいずれかが閾値以下である場合に、当該０１Ａが０２Ｓ、０２Ａおよび０１Ｓに応じた代替値に置き換わる。この場合、０１Ａにノイズが大きく現れる場合に、０１Ａがノイズの少ない０２Ｓ、０２Ａおよび０１Ｓに応じた値に置き換わる。それにより、０１Ａのノイズを低減することができる。これら補正された０２Ａおよび０１Ａを用いることにより、測定される温度を補正することができる。なお、０２Ａの代替値を求める場合、０１Ｓと０１Ａは、光スイッチ１３によるスイッチに関して０２Ａの直前の成分であることが好ましいが、直前に限らず０２Ａよりも前の成分であってもよい。または、０２Ａよりも後の成分であってもよい。０１Ａの代替値を求める場合、０２Ｓと０２Ａは、光スイッチ１３によるスイッチに関して０１Ａの直前の成分であることが好ましいが、直前に限らず０１Ａよりも前の成分であってもよい。または０１Ａよりも後の成分であってもよい。第２端に光パルスを入射する場合に、０２Ａと０１Ｓとの相関係数および０２Ａと０１Ａとの相関係数の少なくともいずれかが閾値以下である場合を０２Ａの置き換えの条件としたが、０２Ｓと０２Ａとの相関係数が一定以上であれば、・０２Ｓと０１Ｓとの相関係数および０２Ｓと０１Ａとの相関係数の少なくともいずれかが閾値以下であるか否か、・０２Ａと０１Ｓ、０２Ａと０１Ａ、０２Ｓと０１Ｓ、０２Ｓと０１Ａの少なくともいずれかが閾値以下であるか否か、などを０２Ａの置き換えの条件としてもよい。同様に、第１端に光パルスを入射する場合に、０１Ａと０２Ｓとの相関係数および０１Ａと０２Ａとの相関係数の少なくともいずれかが閾値以下である場合を０２Ａの置き換えの条件としたが、０１Ｓと０１Ａとの相関係数が一定以上であれば、・０１Ｓと０２Ｓとの相関係数および０１Ｓと０２Ａとの相関係数の少なくともいずれかが閾値以下であるか否か、・０１Ａと０２Ｓ、０１Ａと０２Ａ、０１Ｓと０２Ｓ、０１Ｓと０２Ａとの少なくともいずれかが閾値以下であるか否か、などを０１Ａの置き換え条件としてもよい。
　また、上記実施形態においては、平均化範囲においてストークス成分およびアンチストークス成分の平均値を求めているが、当該範囲においてデータのばらつきが抑制されていればよい。そこで、重み付けを考慮した相加平均や、相乗平均、調和平均などの他の平均を用いてもよい。また、０１Ｓと０２Ｓとの平均値および０１Ａと０２Ａとの平均値を求める場合に、重み付けを考慮した相加平均を用いてもよい。
（他の適用例）
　上記実施形態に係る温度測定装置１００は、様々な温度測定対象に適用することができる。例えば、図２４で例示するように、高温高圧の原料輸送配管の枝配管に光ファイバを敷設することが考えられる。このような高温高圧の配管では、ラッキング材および外側金属板により保温・保護がなされているため、接続継手部の腐食により漏洩が発生しても、火災事故等につながる甚大な状況にまで至らないと発見されない場合が多い。そこで、光ファイバの接続継手部に巻きつけておき、各光ファイバ位置の温度どうしの変化の相関関係を比較することで外気温や内部の温度・圧力が変化した場合でも正確に接続部の漏洩の有無を早期に検知することができる。各光ファイバ位置の温度どうしの相関関係を比較する手段として、各光ファイバ位置の温度を要素として分散共分散行列を生成し、マハラノビス距離やＭＳＤ法といった手法で外れ値検定を行う方法がある。
　図２５は、一本の光ファイバで製作した多数の捲回部による通過空気温度の測定方法への適用を例示する。各捲回部は、ほぼ同一の直径で数周同一箇所に巻きつけられて隣接捲回部と接続されている。上記実施形態に係る測定機１０および制御部２０を用いて捲回部のそれぞれの平均温度を取得して各捲回部の中心位置座標の代表温度としてグラデーションを生成すれば、どのような温度分布の風が、ファイバが敷設されたシート・枠内を通過しているかを測定することができる。各捲回部に巻きつける周回数を増やせば増やすほど、平均される測定点数が増加して見かけの測定精度は向上するので、短時間の測定で所望の測定精度が得られる。なお、光ファイバ長を短くすることで、入射パルスの減衰が小さくなるので、測定精度が向上する。より短時間の測定で所望の測定精度を得るには、出力される温度データ自体が高精度であることが要求される。上記実施形態を適用すれば、この要求を実現することができる。
　図２６（ａ）および図２６（ｂ）は、耐熱ファイバを用いて製作した捲回部を多数連結したファイバネットを溶融炉の表面に敷設した例を例示する。各ファイバネットは接続されるが、端部の２枚のネットの入口端と出口端のファイバは測定機１０および制御部２０に接続されて、ダブルエンド方式の測定を行う構成となっている。各ネット１～３の位置と温度分布の関係を図２６（ｂ）で例示する２次元グラデーション表示にし、溶融炉の基準方位に対して各ネットの方位に相当する位置に生成した２次元グラデーションをはめ込むことで溶融炉の表面温度状態をわかりやすく可視化できる。閾値を設けて突発的な温度変化異常を管理する場合においても、図２４の適用例と同様に、各ネットの捲回部どうしの温度変化の相対的な関係の時間推移を用いてマハラノビス距離の変化やＭＳＤ法で算出した値の変化から異常の予兆を分析する場合においても、温度測定を高精度で行うことができる。
　図２７（ａ）および図２７（ｂ）は、データセンターのサーバラックの上部に一直線に敷設した光ファイバを用いて空調管理を行うシステムへの適用を例示する。ハウジングサービスを主とするデータセンターの場合、サーバラックに対して敷設が許諾されないことがある。そこで、図２７（ａ）および図２７（ｂ）で例示するように、サーバラックの吸気面上部などに光ファイバを一直線もしくは一定程度排気面側に蛇行するなどの方法で敷設する。そして、あらかじめラック部の温度を何らかの方法で測定しておき、敷設した光ファイバで見て、何度の余裕があるかを対応付けて各ラックの上部に相当する光ファイバの各長さにそれぞれ警報の閾値を設定する。通常、サーバラックは６０ｃｍもしくは７０ｃｍ程度のものが一般的であるため、たとえばデータのサンプリング間隔が５０ｃｍの場合、測定点数は１点乃至２点のみであるため、ダブルエンド方式の測定レベルの測定精度が必要である。上記実施形態を適用することによって、高精度で温度測定が可能となる。閾値を超えるかもしくは越えそうになった場合に、空調を強めて余裕度を上げることができる制御が可能となり、省エネと安全が両立できる。
　図２８は、ビニールハウス内での高級果物などの栽培及び盗難防止への適用を例示する。図２８の例は、たとえばクラウンメロンの栽培を前提としたものである。土中温度、周囲環境温度、果物温度などを測定するための光ファイバを設置し、さらに、乾湿計と同様の原理を利用した湿度管理用の光ファイバを設置し、ラマン散乱を用いて温度および湿度を測定することができる。ここで盗難者がメロンを盗難してメロンを引っ張ると、土中の光ファイバが引き抜かれ、温度が急峻に変化する。それをもって、盗難が発生していると警報を所有者に通知することができる。急峻な温度変化を確実に測定するには、システムの測定精度が良好であることが求められる。また、各温度の時間推移を詳細に管理して積分値管理を行い、良好な育成を行おうとすれば、同様にシステムの測定精度が良好であることを求められる。上記実施形態を用いることで、この要求を実現することができる。
　上記実施形態に従い、具体的な実施例について説明する。図１１～図１６、図１８および図１９に対して、図２２の処理を行った。ただし、第１区間を、光ファイバ３０の総長の２／５未満とし、第２区間を２／５以上３／５未満とし、３／５以上とした。相関係数の大小を判定するための閾値として、図２３と同様に値１（＝０．２）および値２（＝０．６）を設けた。
　図２９（ａ）～図２９（ｄ）に結果を示す。図２９（ａ）は、０１Ｓおよび０１Ａについて、処理前後の比較である。図２９（ａ）で例示するように、処理前には遠端側でばらつきが見られたものの、処理後にはばらつきが抑制された。図２９（ｂ）は、お湯に浸漬した領域近傍を拡大したものである。図２９（ｂ）で例示するように、特にアンチストークス成分について、処理前のばらつきが処理後には大きく抑制された。図２９（ｃ）は、０２Ｓおよび０２Ａについて、処理前後の比較である。図２９（ｃ）で例示するように、遠端である０（ｍ）近傍でばらつきが見られたものの、処理後にはばらつきが抑制された。図２９（ｄ）は、お湯に浸漬した領域の拡大である。図２９（ｄ）で例示するように、図２９（ｂ）と比べるとわずかに改善しているが、ほぼ処理なしに近い。これは、近端のため、ノイズ成分が小さいためである。
　図３０および図３１は、図２２および図２３の処理に基づいて決定した０１Ａおよび０２Ａの片側平均化要素数の関係を示している。図３１は、図３０の一部拡大図である。片側平均化要素数は、１／α＿０１Ａおよび１／α＿０２Ａに相当する。この平均化要素数が３以上であるときには、それぞれ３／５以上の区間および２／５未満の区間にて、代替０１Ａおよび代替０２Ａを用いている。
　図３１を図２９（ａ）～図２９（ｄ）と比較すると、温度変化が生じてストークス成分とアンチストークス成分の両方に変化がある場合はどちらもほぼ同じ値を取っていることがわかる。図２９（ａ）～図２９（ｄ）、図３０および図３１からダブルエンド方式の温度を算出したものが図３２および図３３である。図３２およびお湯に浸漬した部分の拡大である図３３を見ると、温度変化の成分が失われることなく、雑音成分が抑圧されていることがわかる。
　図３２および図３３の温度は、上記式（２）で算出した。相関係数が１である位置では平均化要素数が１となるため、処理前後の温度は変わらない。そこで、代替処理後に使用するゲインとオフセット値は代替処理前に使用するものと同じものとする必要があるため、下記式（１１）で表される。
処理後温度＝ゲイン／｛オフセット－２×ｌｎ(処理後平均アンチストークス光量／処理後平均ストークス光量）｝　　　　（１１）
　図３４は、処理前後の温度分布の定量的な比較を示す。温度変化位置ではいずれの場合も処理前後で変化がないため、平坦部での標準偏差値３σを比較する。図３４で例示するように、２８００ｍ～２９００ｍの、通常の温度算出区間では値の変化はないが、処理を行った区間では、８３％以上のノイズ抑圧が達成されている。上記実施形態の処理で得られた８３％の抑圧効果の場合、測定精度は５．９分の１倍になったことになるので、同一の測定精度の場合、測定時間は処理前を３５として、処理後が１となる程度に圧縮される。また、図１１でダブルエンド方式での測定時は中央の２８００ｍ～２９００ｍ位置の測定精度に対して１００ｍ～２００ｍおよび５６００ｍ～５７００ｍの位置は３倍であったが、上記実施形態の処理により、逆に、両側の測定精度が２倍になっている。
　実施例１とは異なる測定対象および測定周期にて得た温度分布についての具体的な実施例について説明する。適用した処理方法は実施例１とほぼ同じであるが、区間を総長の３／５未満および２／５以上の重複２区間としている。これにより、重複された区間では、相関の大きさが小さい場合、０１Ａ、０１Ｓ、０２Ａおよび０２Ｓのすべてが置換されることになる。
　図３５（ａ）～図３５（ｄ）は算出結果を例示する。図３５（ａ）は０１Ｓおよび０１Ａについて、処理前後の比較である。図３５（ａ）で例示するように、処理前には遠端側でばらつきが見られたものの、処理後にはばらつきが抑制された。図３５（ｂ）は、加熱領域近傍を拡大したものである。図３５（ｂ）で例示するように、特にアンチストークス成分について、処理前のばらつきが処理後には大きく抑制された。図３５（ｃ）は、０２Ｓおよび０２Ａについて、処理前後の比較である。図３５（ｃ）で例示するように、遠端である０（ｍ）近傍でばらつきが見られたものの、処理後にはばらつきが抑制された。図３５（ｄ）は、お湯に浸漬した領域の拡大である。図３５（ｄ）で例示するように、図３５（ｂ）と比べるとわずかに改善しているが、ほぼ処理なしに近い。これは、近端のため、ノイズ成分が小さいためである。
　図３６および図３７は、図２２および図２３の処理に基づいて決定した０１Ａおよび０２Ａの片側平均化要素数の関係を示している。図３７は、図３６の一部拡大図である。１／α＿０１Ａおよび１／α＿０２Ａに相当するもので、この平均化要素数が３以上であるときには、それぞれ２／５以上の区間および３／５未満の区間にて、代替０１Ａおよび代替０２Ａを用いている。
　図３７を図３５（ａ）～図３５（ｄ）と比較すると、温度変化が生じてストークス成分とアンチストークス成分の両方に変化がある場合はどちらもほぼほぼ同じ値を取っている。しかしながら、大きな温度変化の間の小さな温度変化に対して０１Ｓの変化がノイズとみなされるためか、やや０２Ａに関連する平均化要素数のほうが０１Ａに関連するものよりも大きい。
　図３５（ａ）～図３５（ｄ）、図３６および図３７をダブルエンド方式で温度を算出したものが図３８および図３９である。図３８および加熱部分の拡大である図３９を見ると、温度変化の成分が失われることなく、雑音成分が抑圧されているのがわかる。図３７の２つの平均化要素数の違いは問題ないと言える。
　図４０は、処理前後の温度分布の定量的な比較を例示する。温度変化位置ではいずれの場合も処理前後で変化がないため、平坦部での標準偏差値３σを比較する。重複により、中央の２８００ｍ～２９００ｍでも、わずかながら改善が見られた。中央区間では、０１Ａおよび０２Ａともにノイズが重畳されるので、お互いの値で置換してもあまり改善が見られなかったと考えられる。これに対して、両側の区間では、８６％以上のノイズ抑圧が達成されている。上記実施形態の処理により、逆に両側の精度が１．５倍以上になっている。
　以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

Claims (12)

  1. 　光ファイバの第１端に光が入射する場合の後方散乱光から第１ストークス成分および第１アンチストークス成分を検出し、前記光ファイバの第２端に光が入射する場合の後方散乱光から第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を検出する検出器と、
    　前記光ファイバの前記第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分と、前記第２アンチストークス成分との相関の少なくともいずれかの大きさが閾値以下の場合に、前記第２アンチストークス成分を、前記第１ストークス成分と、前記第１アンチストークス成分と、前記第２ストークス成分とに応じた値に置き換える補正部と、
    　前記第１ストークス成分、前記第１アンチストークス成分、前記第２ストークス成分、および前記補正部によって置き換えられた後の前記第２アンチストークス成分を用いて前記サンプル点における温度を測定する測定部と、を備えることを特徴とする温度測定装置。
  2. 　光源からの光を前記第１端と前記第２端とに交互に入射する光スイッチを備え、
    　前記補正部は、前記光スイッチから前記第１端に前記光が入射される場合の第１ストークス成分および第１アンチストークス成分と、次に前記光スイッチから前記第２端に前記光が入射される場合の第２アンチストークス成分との相関の少なくともいずれかの大きさが前記閾値以下の場合に、前記第２アンチストークス成分を、前記第１ストークス成分と、前記第１アンチストークス成分と、前記第２アンチストークス成分と同じタイミングで検出された第２ストークス成分とに応じた値に置き換えることを特徴とする請求項１記載の温度測定装置。
  3. 　前記補正部は、前記第２アンチストークス成分を、前記第１ストークス成分と、前記第１アンチストークス成分と、前記第２ストークス成分とに応じた値に置き換える場合に、前記第２ストークス成分として、前記サンプル点を含む所定の可変範囲における前記第２ストークス成分を平滑化した値を用い、
    　前記可変範囲は、前記サンプル点における、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分と、前記第２ストークス成分との相関の少なくともいずれかの大きさに応じた長さの範囲であることを特徴とする請求項１または２記載の温度測定装置。
  4. 　前記補正部は、前記相関が小さいほど前記可変範囲を長くすることを特徴とする請求項３記載の温度測定装置。
  5. 　前記補正部は、前記可変範囲に上限を設定することを特徴とする請求項３または４記載の温度測定装置。
  6. 　前記補正部は、前記第２アンチストークス成分を、前記第１ストークス成分と、前記第１アンチストークス成分と、前記第２ストークス成分とに応じた値に置き換える場合に、さらに、前記サンプル点を含む所定の固定範囲における前記第１ストークス成分、前記第１アンチストークス成分、前記第２ストークス成分および前記第２アンチストークス成分を平滑化した値を用いることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の温度測定装置。
  7. 　前記補正部は、前記相関が閾値以上であれば、前記第２アンチストークス成分を置き換えないことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の温度測定装置。
  8. 　前記相関の大きさとして、Ｐｅａｒｓｏｎの積率相関係数を用いることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の温度測定装置。
  9. 　前記相関の大きさとして、Ｓｐｅａｒｍａｎの順位積率相関係数を用いることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の温度測定装置。
  10. 　前記所定領域は、前記サンプル点の周囲の光ファイバを一定温度とし、前記サンプル点を中心とした最小加熱長区間に該一定温度と異なる一定の温度を付与した際に得られる温度分布の半値幅よりも大きく、１次成分幅よりも小さい領域であることを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の温度測定装置。
  11. 　光ファイバの第１端に光が入射する場合の後方散乱光から第１ストークス成分および第１アンチストークス成分を検出し、前記光ファイバの第２端に光が入射する場合の後方散乱光から第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を、検出器を用いて検出し、
    　前記光ファイバの前記第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分と、前記第２アンチストークス成分との相関の少なくともいずれかの大きさが閾値以下の場合に、前記第２アンチストークス成分を、前記第１ストークス成分と、前記第１アンチストークス成分と、前記第２ストークス成分とに応じた値に置き換え、
    　前記第１ストークス成分、前記第１アンチストークス成分、前記第２ストークス成分、および置き換えられた後の前記第２アンチストークス成分を用いて前記サンプル点における温度を測定する、ことを特徴とする温度測定方法。
  12. 　コンピュータに、
    　光ファイバの第１端に光が入射する場合の後方散乱光から第１ストークス成分および第１アンチストークス成分を検出し、前記光ファイバの第２端に光が入射する場合の後方散乱光から第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を検出する処理と、
    　前記光ファイバの前記第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分と、前記第２アンチストークス成分との相関の少なくともいずれかの大きさが閾値以下の場合に、前記第２アンチストークス成分を、前記第１ストークス成分と、前記第１アンチストークス成分と、前記第２ストークス成分とに応じた値に置き換える処理と、
    　前記第１ストークス成分、前記第１アンチストークス成分、前記第２ストークス成分、および置き換えられた後の前記第２アンチストークス成分を用いて前記サンプル点における温度を測定する処理と、を実行させることを特徴とする温度測定プログラム。
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