JP2012127779A - 光ファイバ分布型測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的安価な構成で光ファイバの線路損失を測定でき、常に正確な温度分布を測定できる装置を提供すること。
【解決手段】光ファイバをセンサとして用い、ラマン後方散乱光を利用して前記光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された光ファイバ温度分布測定装置において、
波長λ_STのストークス光が受ける光ファイバの線路損失と波長λ_ASのアンチストークス光が受ける光ファイバの線路損失を測定するための出力波長λ_STと出力波長λ_ASを含む広帯域光源を設け、
これら光ファイバの線路損失測定結果に基づき、前記光ファイバに沿った温度分布の測定結果に含まれる前記光ファイバの線路損失の変動を補正することを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバ分布型測定装置に関し、詳しくは、光ファイバの損失特性に起因する測定誤差の補正に関するものである。

光ファイバをセンサとして用いた分布型測定装置の一種に、光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された温度測定装置がある。この技術は光ファイバ内で発生する後方散乱光を利用している。

後方散乱光には、レイリー散乱光、ブリルアン散乱光、ラマン散乱光などがあるが、温度測定には温度依存性の高い後方ラマン散乱光が利用され、この後方ラマン散乱光を波長分波して測定を行う。後方ラマン散乱光には、入射光の波長に対して短い波長側に発生するアンチストークス光ＡＳと、長い波長側に発生するストークス光ＳＴがある。

光ファイバ温度分布測定装置は、これらアンチストークス光の強度Ｉ_ASとストークス光の強度Ｉ_STとを測定してその強度比から温度を算出し、光ファイバに沿った温度分布を表示するものであり、プラント設備の温度管理、防災関連、発電所や大型建設物の空調関連などの分野で利用されている。

図３は、従来の光ファイバ分布型測定装置の一例を示す説明図である。図３（Ａ）において、光源１から波長λ₀の光パルスが送出され、方向性結合器２を介して被測定光ファイバ３に入力される。光ファイバ３の中で光パルスにより発生するラマン後方散乱光は、被測定光ファイバ３の入射端に向かって戻ってくる。

この散乱光は、再び方向性結合器２を介して光フィルタ４に入力され、波長λ_STのストークス光成分と波長λ_ASのアンチストークス光成分に分離される。分離されたストークス光成分は受光素子５に入力されて電気信号に変換され、アンチストークス光成分は受光素子６に入力されて電気信号に変換される。これら変換された電気信号は、処理部７に入力される。図３（Ｂ）は後方レーリー散乱光および後方ラマン散乱光のスペクトラムを示し、図３（Ｃ）は光フィルタ４の透過特性を示している。

これら二つの信号強度をI_ST、I_ASとすると、その強度比Ｒ（Ｔ）は（１）式で表される。この（１）式より、光ファイバ３の温度を求めることができる。ただし、光ファイバ３中のどこか一区間（数メートル）の温度は何らかの方法（たとえば白金温度センサ）で測定し得るものとし、絶対温度校正はこの値から求める。

ところが、実際に測定されるストークス光成分およびアンチストークス光成分は、測定対象とする温度による強度変化のみではなく、光ファイバ３の損失による変化も含んでいる。このため、温度に換算するのにあたっては、図４に示すように、光ファイバ３の損失を補正して演算を行う必要がある。さらに、測定されるストークス光とアンチストークス光は波長が異なるため、損失差を考慮した補正も必要になる。

図４において、（Ａ）はストークス後方散乱光強度を示すものであり、実線ＣＨ１は得られるストークス強度波形を表し、破線ＣＨ２は光ファイバ３の損失を表している。光ファイバ３の損失は、往路における光源１の出力波長λ₀の損失と復路における波長λ_STのストークス光成分の損失を含んでいる。

（Ｂ）はアンチストークス後方散乱光強度を示すものであって、実線ＣＨ３は得られるアンチストークス強度波形を表し、破線ＣＨ４は光ファイバ３の損失を表している。光ファイバ３の損失は、往路における光源１の出力波長λ₀の損失と復路における波長λ_ASのアンチストークス光成分の損失を含んでいる。

（Ｃ）は温度測定例を示している。この温度データは、（Ａ）および（Ｂ）の各データに基づいて光ファイバ３の損失を補正した後、温度へ換算することにより求められる。

ところで、図４に示す手法は、ストークス光およびアンチストークス光による光ファイバの損失分布が変化しない場合には問題ないが、光ファイバ３が配置される環境によっては、その損失特性は一定にはならずに変化することがある。光ファイバ３の損失特性が変化すると、損失特性が一定であるとすると、図４に基づく補正は不適切となり、得られる温度データは誤差を含むことになる。

このような光ファイバ３の損失特性の変化に伴う不都合を回避するために、以下に説明するようないくつかの方法が提案されている。

図５は、ダブルエンド方法を用いた光ファイバ分布型測定装置の構成説明図であり、図３（Ａ）と共通する部分には同一の符号を付けている。図５において、光ファイバ３はループ状になるようにその両端が折り返され、光スイッチ８を介して方向性結合器２に接続されている。そして、光スイッチ８を切り換えて近端側および遠端側からそれぞれ測定を行うことにより、光ファイバ３の損失の変化を打ち消すことができる。

図６は、図５の動作説明図である。（Ａ）はストークス光による近端側からの測定結果例を示し、（Ｂ）はストークス光による遠端側からの測定結果例を示している。これらの測定結果（Ａ）と（Ｂ）を加算することにより、（Ｃ）に示すように温度に起因するストークス光の特性変動分のみを得ることができる。

（Ｄ）はアンチストークス光による近端側からの測定結果例を示し、（Ｅ）はアンチストークス光による遠端側からの測定結果例を示している。これらの測定結果（Ｄ）と（Ｅ）を加算することにより、（Ｆ）に示すように温度に起因するアンチストークス光の特性変動分のみを得ることができる。

これら（Ｃ）のストークス光の特性変動分と（Ｆ）のアンチストークス光の特性変動分に基づき、（Ｇ）に示すように温度に変換する。

図５の構成によれば、光ファイバ３の損失の変化を打ち消すことができるが、光ファイバ３の長さが２倍必要になることから、シングルエンド方式に比べると、温度測定精度や測定所要時間などで劣ってしまう。

図７は、２種類（２波長）の光源を実装してレイリー光を使用する光ファイバ分布型測定装置の説明図であり、図３（Ａ）と共通する部分には同一の符号を付けている。図７（Ａ）において、出力波長λ_0Aを有する光源９と出力波長λ_0Bを有する光源１０が光スイッチ１１を介して方向性結合器２に接続されている。光フィルタ４は、これら光源９および光源１０のレイリー光を分離して受光素子５に入力するとともに、波長λ_{ST_A}を有する光源９のストークス光および波長λ_{AS_B}を有する光源１０のアンチストークス光を分離して受光素子６に入力する。

図７（Ｂ）は出力波長λ_0Aを有する光源９を使用する時の後方レーリー散乱および光後方ラマン散乱光のスペクトラムを示し、図７（Ｃ）は出力波長λ_0Bを有する光源１０を使用する時の後方レーリー散乱および後方ラマン散乱光のスペクトラムを示している。

出力波長λ_0Aを有する光源９を使用する時にストークス光が受ける光ファイバ３の損失に注目すると、往路は光源９の出力波長λ_0Aによる損失になり、復路は波長λ_{ST_A}のストークス光による損失となる。また、出力波長λ_0Bを有する光源１０を使用する時にアンチストークス光が受ける光ファイバ３の損失は、往路は光源１０の出力波長λ_0Bによる損失になり、復路は波長λ_{AS_B}のアンチストークス光による損失となる。

したがって、ストークス光の波長λ_{ST_A}とアンチストークス光の波長λ_{AS_B}が等しくなるように光源９の出力波長λ_0Aおよび光源１０の出力波長λ_0Bを設定するとともに、これら波長λ_0Aおよび波長λ_0Bによるレイリー光を測定できるように構成することで光ファイバ３の損失補正が可能になるが、ラマン散乱光測定用に高価な高出力光源が２つ必要となり、測定時間も２倍になってしまう。

図８は、２種類（２波長）の光源を実装してレイリー光を使用しない光ファイバ分布型測定装置の説明図であり、図７（Ａ）と共通する部分には同一の符号を付けている。図８（Ａ）において、出力波長λ_0Cを有する光源１２と出力波長λ_0Dを有する光源１３が光スイッチ１１を介して方向性結合器２に接続されている。光フィルタ４は、光源１２の出力光に基づく波長λ_{ST_C}のストークス光を分離して受光素子５に入力するとともに、光源１３の出力光に基づく波長λ_{AS_D}のアンチストークス光を分離して受光素子６に入力する。

図８（Ｂ）は出力波長λ_0Cを有する光源１２を使用する時の後方レーリー散乱および後方ラマン散乱光のスペクトラムを示し、図８（Ｃ）は出力波長λ_0Dを有する光源１３を使用する時の後方レーリー散乱および後方ラマン散乱光のスペクトラムを示している。

出力波長λ_0Cを有する光源１２を使用する時の光ファイバ３における損失は、往路は出力波長λ_0Cの光源１２の出力光による損失となり、復路は波長λ_{ST_C}のストークス光による損失となる。そして、出力波長λ_0Dの光源１３を使用する時の光ファイバ３における損失は、往路は出力波長λ_0Dの光源１３の出力光による損失となり、復路は波長λ_{AS_D}のアンチストークス光による損失となる。

ここで、光源１２の出力波長λ_0Cと光源１３の出力光に基づくアンチストークス光の波長λ_{AS_D}が同一になり、また、光源１２の出力光に基づくストークス光の波長λ_{ST_C}および光源１３の出力波長λ_0Dが同一になるように設定されていて、これらストークス光とアンチストークス光の比をとることにより、線路損失の変動をキャンセルできる。しかし、この場合も、ラマン散乱光測定用に高価な高出力光源が２つ必要となり、測定時間も２倍になってしまう。

図９は、３種類（３波長）の光源を実装した光ファイバ分布型測定装置の構成説明図であり、図３（Ａ）と共通する部分には同一の符号を付けている。図９（Ａ）において、出力波長λ₀を有する光源１と出力波長λ_aを有する光源１４と出力波長λ_bを有する光源１５とが光スイッチ１６を介して方向性結合器２に接続されている。光フィルタ４は、光源１のストークス光λ_STを分離して受光素子５に入力するとともに、アンチストークス光λ_ASを分離して受光素子６に入力する。

図９（Ｂ）は出力波長λ₀を有する光源１を使用する時の後方レーリー散乱および後方ラマン散乱光のスペクトラムを示し、図９（Ｃ）は線路損失測定用光源として用いる出力波長λ_aを有する光源１４と出力波長λ_bを有する光源１５の波長関係を示している。

前述のように、ストークス光での光ファイバ３の損失は、往路は出力波長λ₀の光源１の出力光による損失で復路は波長λ_STのストークス光による損失であり、アンチストークス光での光ファイバの損失は、往路は波長λ₀の光源１の出力光による損失で復路は波長λ_ASのアンチストークス光による損失であって、これらが変化すると温度測定上のエラーになる。

そこで、アンチストークス光λ_ASと同一の出力波長λ_aを有する光源１４の光源およびストークス光λ_STと同一の出力波長λ_bを有する光源１５で線路損失を測定することで、補正が可能となる。この場合、光源は３つ必要になるが、出力波長λ_aの光源１４および出力波長λ_bの光源１５はレーリー光を測定することからパワーは弱くてもよい。しかし、これら出力波長λ_aの光源１４および出力波長λ_bの光源１５は波長が特殊なため、入手が困難である。

特許文献１には、３種類（３波長）の光源を使用して温度を測定する方法および温度測定値を較正する方法が開示されている。

特開２００４−６９６８５号公報

上記の説明から明らかなように、光ファイバ３の損失が時間とともに変動した場合、変動に対応した何らかの損失補正を行わないと測定データに誤差を生じる。そこで、これまで多くの提案がなされているが、コスト面から必ずしも満足できるものはなかった。

本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、比較的安価な構成で光ファイバの線路損失を測定でき、常に正確な温度分布を測定できる装置を提供する。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
光ファイバをセンサとして用い、ラマン後方散乱光を利用して前記光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された光ファイバ温度分布測定装置において、
波長λ_STのストークス光が受ける光ファイバの線路損失と波長λ_ASのアンチストークス光が受ける光ファイバの線路損失を測定するための出力波長λ_STと出力波長λ_ASを含む広帯域光源を設け、
これら光ファイバの線路損失測定結果に基づき、前記光ファイバに沿った温度分布の測定結果に含まれる前記光ファイバの線路損失の変動を補正することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の光ファイバ分布型測定装置において、
前記広帯域光源は、複数の広帯域光源モジュールの出力光を合波したものであることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光ファイバ分布型測定装置において、
前記広帯域光源は、ＬＥＤ光源であることを特徴とする。

これらにより、光ファイバにおける線路損失を測定でき、常に光ファイバに沿った正確な温度分布を測定できる。

本発明の一実施例を示す説明図である。 本発明の他の実施例を示す説明図である。 従来の光ファイバ分布型測定装置の一例を示す説明図である。 光ファイバ分布型測定装置における温度校正処理説明図である。 ダブルエンド方法を用いた光ファイバ分布型測定装置の構成説明図である。 図５の動作説明図である。 ２種類（２波長）の光源を実装してレイリー光を使用する光ファイバ分布型測定装置の説明図である。 ２種類（２波長）の光源を実装してレイリー光を使用しない光ファイバ分布型測定装置の説明図である。 ３種類（３波長）の光源を実装した光ファイバ分布型測定装置の構成説明図である。

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す説明図であり、図９（Ａ）と共通する部分には同一の符号を付けている。図１（Ａ）と図９（Ａ）の相違点は、図１（Ａ）では、図９（Ａ）の線路損失測定用光源として用いる出力波長λ_aを有する光源１４と出力波長λ_bを有する光源１５に代えて、安価で比較的容易に入手できる広帯域光源１７を用いていることにある。

図１（Ｂ）は出力波長λ₀を有する光源１を使用する時の後方レーリー散乱および後方ラマン散乱光のスペクトラムを示し、図１（Ｃ）は広帯域光源１７のスペクトラムを示し、図１（Ｄ）は光フィルタ４の透過特性を示している。

図１（Ａ）において、広帯域光源１７としては、たとえばＬＥＤ光源を用いる。一般的に、ＬＥＤ光源の出力光は、５０〜１００ｎｍの帯域幅を有する。このような広帯域光源１７を用いて、波長λ_STにおけるストークス光の光ファイバ３の線路損失と、波長λ_ASにおけるアンチストークス光の光ファイバ３の線路損失を測定する。

光ファイバ３の線路損失測定にあたっては、光強度がラマン散乱光と比べて１０００倍程度高いレーリー散乱光を用いるため、相対的に低出力の光源を用いることができる。光出力が不足して十分なＳ／Ｎ比が得られない場合には、出力光のパルス幅を拡げることでＳ／Ｎ比を改善向上させることができる。たとえば、ラマン散乱測定用の光源の出力を１Ｗ、パルス幅を１０ｎｓｅｃとすると、同一強度のレーリー散乱光を得るためには、光源の出力を１０μＷ、パルス幅を１０００ｎｓｅｃにすればよく、ほぼ実現可能な範囲である。

一方、ラマン散乱光であるストークス光とアンチストークス光を抽出受光するために、波長分離用の光フィルタとして帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）を用いる。したがって、波長λ_STでのストークス光の線路損失および波長λ_ASでのアンチストークス光の線路損失を測定する際の光源は、出力帯域幅が１００ｎｍを超える程度の広帯域であってもよい。この帯域が、ストークス光の波長λ_STおよびアンチストークス光の波長λ_ASをカバーするものであれば、１つの光源で波長λ_STにおけるストークス光の光ファイバ３の線路損失と、波長λ_ASにおけるアンチストークス光の光ファイバ３の線路損失を測定することができる。

すなわち、図１（Ａ）の構成で、ラマン散乱光を得る際に、ストークス光が復路で波長λ_STで受ける線路損失と、アンチストークス光が復路で波長λ_ASで受ける線路損失を知ることにより、線路損失をキャンセルすることができ、温度測定上の誤差を低減できる。

図９（Ａ）に示す従来の構成では、線路損失測定用光源として波長λ_STの成分と波長λ_ASの成分を含む２つが必要であったが、本発明では、これら波長λ_STおよびλ_ASの成分を含む１つの広帯域光源を用い、波長分離用の光フィルタとして帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）を用いる。このような広帯域光源としては、出力に波長λ_STおよびλ_ASの成分を含めばよいので、容易に入手できる安価なＬＥＤ光源を用いることができる。

広帯域光源の出力が弱くてＳ／Ｎ比が不足している場合には、線路損失分布の測定には空間分解能は緩和されるので、出力光のパルス幅を拡げることで対応できる。

なお、図１の１つの広帯域光源１７だけでは帯域が不足したり出力が弱い場合には、図２（Ａ）や（Ｂ）に示すように、光出力が比較的小さく中心波長などの制約は極めて緩くて安価に入手できる複数の広帯域光源を組み合わせて、波長λ_STおよびλ_ASの成分を含む合波広帯域光源を構成してもよい。（Ｃ）は（Ａ）または（Ｂ）で合波された出力光のスペクトラムを示し、（Ｄ）は光フィルタ４の透過特性を示している。

図２（Ａ）は一体型合波モジュール１８の例である。出力光に波長λ_ASの成分を含む第１の広帯域光源１８ａと波長λ_STの成分を含む第２の広帯域光源１８ｂが互いの出力光軸が直交するように配置されるとともに、これら出力光軸の直交位置にはハーフミラー１８ｃが４５度の傾斜角度で配置されている。２個の広帯域光源１８ａと１８ｂの出力光はこのハーフミラー１８ｃで合波され、レンズ１８ｄを介して光ファイバ３に出力される。

図２（Ｂ）は光合波器を用いる例である。出力光に波長λ_ASの成分を含む第１の広帯域光源モジュール１９と波長λ_STの成分を含む第２の広帯域光源モジュール２０は、それぞれの出力端が光ファイバカプラよりなる光合波器２１に接続されている。

このように複数の広帯域光源を組み合わせることにより、１つの広帯域光源では帯域が不足したり出力が弱い場合に、比較的安価な構成で対応できる。

以上説明したように、本発明によれば、比較的安価な構成で光ファイバの線路損失を測定でき、常に正確な温度分布を測定できる光ファイバ分布型測定装置が実現でき、光ファイバに沿った各種の温度分布測定に好適である。

１ 光源
２ 方向性結合器
３ 光ファイバ
４ 光フィルタ
５、６ 受光素子
７ 処理部
１７ 広帯域光源
１８ 一体型合波モジュール
１９、２０ 広帯域光源モジュール
２１ 光合波器（光ファイバカプラ）

Claims (3)

1. 光ファイバをセンサとして用い、ラマン後方散乱光を利用して前記光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された光ファイバ温度分布測定装置において、
   波長λ_STのストークス光が受ける光ファイバの線路損失と波長λ_ASのアンチストークス光が受ける光ファイバの線路損失を測定するための出力波長λ_STと出力波長λ_ASを含む広帯域光源を設け、
   これら光ファイバの線路損失測定結果に基づき、前記光ファイバに沿った温度分布の測定結果に含まれる前記光ファイバの線路損失の変動を補正することを特徴とする光ファイバ分布型測定装置。
2. 前記広帯域光源は、複数の広帯域光源モジュールの出力光を合波したものであることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ分布型測定装置。
3. 前記広帯域光源は、ＬＥＤ光源であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光ファイバ分布型測定装置。

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