JPH01260331A - 分布型温度計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は、ラマン後方散乱光を利用した分布型温度計
測装置に関し、光ファイバセンサ部内で生じた後方散乱
光を効率良く受光し、かっレーリ散乱光、ストークス光
、アンチストークス光の３波を低クロストークで分離で
きるようにしたものである。

［従来の技術］ 一般に、光フアイバ中に波長λ、のパルス波を入射する
と、入射したパルス光の大部分は光フアイバ中を入射方
向に向って伝送されるが、パルス光の一部は後方散乱光
（波長λ。）として光ファイバの入射端に戻ってくるよ
うなレーり散乱を起こす。パルス光が光ファイバに入射
した時間からの各時点における、このレーり散乱光の強
度を逐次検出することにより、この先ファイバが置かれ
た環境の温度や光ファイバの表面状態、歪、応力などの
物理量を計測することが可能である。

また近年では、光フアイバ中にパルス光を入射して発生
するラマン後方散乱光を利用した温度計測用０ＴＤＲ装
置が実用化されており、室温付近でｌＯ℃程度の温度検
出が行えること、長距離（約Ｉ　ｋｍ）にわたる温度分
布の検出が行えること、さらにはラマン後方散乱光のス
トークス光（波長λ０＋λｉ）とアンチストークス光（
波長λ。−λｉ）との強度比を計測することにより光フ
ァイバの伝送損失やマイクロベント損失等の影響を受け
ない温度分布が計測できるなどの点で、電力設備等の保
守システム装置として有用である。そしてこのような温
度計測用０ＴＤｒ（装置では、光ファイバから戻ってく
るストークス光とアンチストークス光とに適合した干渉
フィルタや回折格子などを用いて、ストークス光とアン
キストークス光とにそれぞれ分離して、その強度比を計
測することによって、先ファイバの置かれた環境温度を
求めていた。

［発明が解決しようとする課題］ ところが従来のラマン後方散乱光を利用した温度計測用
０ＴＤＲ装置にあっては、ラマン後方散乱光がレーり散
乱光に比べ、その強度か極めて小さいため、ラマン後方
散乱光の２つの成分であるストークス光とアンチストー
クス光とを干渉フィルタや回折格子等により分離して同
時計測して、十分な計測精度を得ることが難しかった。

また、レーり散乱光とストークス光およびアンチストー
クス光との間の波長差（λｉ）が極めて小さいので、こ
れらの分離検出に際して、十分な波長分離精度を確保し
、低クロストークを維持することが困難でもあった。

そこでこの発明では上述の課題を解消し、効率良くかつ
低クロストークで３波（レーリ散乱光、ストークス光、
アンチストークス光）に分離し、ストークス光とアンデ
ストークス光との強度比から高い精度で温度を計測でき
るような分布型温度計測装置を提供することを目的とし
ている。

［課題を解決するための手段］ この発明では、光源により出射されたパルス波を導波し
ラマン効果を生じさせる光ファイバセンサ部と、光源と
光ファイバセンサ部との間に配置されて、光ファイバセ
ンサ部内で生じたラマン後方散乱光をレーり散乱光とと
もに分波ユニット内へ導くカプラと、ラマン散乱光をス
トークス光とアンデストークス光とに分離し検出する分
波ユニットとを有してなる分布型温度計測装置において
、前記分波ユニットを２枚の回折格子とから構成し、こ
の２枚の回折格子のそれぞれの入射光と回折光を含む平
面同士が互いに直交するような向きに配置したことをそ
の解決手段とした。

［作用］ このように、分波ユニットを２枚の回折格子から構成し
、２枚の回折格子をそれぞれ直交させて配置したことに
より、分離するそれぞれの光が微弱な光であっても、高
い分離度かつ低クロストークでストークス光とアンチス
トークス光とに分離することができ、したがってこれら
の強度比から光ファイバセンサ部の置かれた温度を正確
に計測することができる。

以下、この発明を図面を参照し詳しく説明する。

第１図は、この発明の温度計測装置の一例を示すもので
ある。

第１図中符号ｌがパルス光を出射させる光源である。光
源１は安定したコヒーレント光が得られるレーザと干渉
フィルタからなり、光源ｌから出射されたパルス光が被
測定用の光ファイバセンサ部２内へ導びかれるようにな
っている。ここで光源ｌのレーザには、指向性の良い強
いラマン散乱光を得るために、強いコヒーレント光を出
射できるＹＡＧレーザ、半導体レーザ、アルゴンレーザ
等の連続発振イオンレーザの他、窒素レーザ等のパルス
レーザなどが用いられる。また被測定用の光ファイバセ
ンサ部２は、その置かれた環境の温度を計測するセンサ
部として使用されるもので、温度を計測する場所に沿っ
て埋設または配置されて使用される。そしてこの光ファ
イバセンサ部２には、ステップインデックス型、グレー
デッドインデックス型のいずれのマルチモードファイバ
を用いてもよく、またシングルモードファイバを用いる
ことらできる。光源■とこの光ファイバセンザ部２との
間には、カプラ３が配置され、光源ｌおよび光ファイバ
センサ部２はそれぞれこのカプラ３ｃ３入力端と出力側
の導光部分に接続されている。カプラ３には、２本の光
ファイバの長平方向の一部が融着されてなる通常の光フ
ァイバ力ブラなどが好適に使用されるが、ガラス板や半
透膜、反射２色ミラー等を利用したビームスプリブタな
どが用いられてもよい。またこのカプラ３の入力側の他
の導光部分には分波ユニット４が接続されて、光ファイ
バ２からの後方散乱光（レーり散乱光、ラマン散乱光）
を分波ユニット４内へ導波できるようになっている。こ
こで分波ユニット４は、上述の被測定用光フアイバ内で
生じた後方散乱光をそれぞれの成分である３波に分波し
て同時モニタする装置で、第２図に示したように２枚の
回折格子４ａ、４ｂから構成さている。ここで２枚の回
折格子４ａ、４ｂはいずれも金属あるいはガラス平面に
一次元の周期的な多数の溝を存してなるもので、２枚の
回折格子４ａ、４ｂはそれぞれ、この溝の方向が互いに
直交するような向きに配置されている。換言すれば、そ
れぞれの回折格子の入射光および回折光を有する平面同
士が互いに直交するような向きとなるので、第１の回折
格子４ａと第２の回折格子４ｂでは、その分離方向が異
なり、高い分離精度をもって３波に分波することができ
るものである。

このようにして分波されたレーり散乱光およびストーク
ス光、アンチストークス光は、それぞれ光検出系５．６
により検出される。光検出系５，６は、強度の弱いスト
ークス光とアンチストークス光とを検出するものである
ので、それぞれフォトダイオード、アバランシフォトダ
イオードなどの増幅装置と強度の弱い光を積算処理する
ためのアンプ、シグナルアベレージヤ、コンピュータな
どにより構成されている。

以下、この発明の温度計測装置を用いた測定方法につい
て説明する。

光源ｌから出射された波長λ。のパルス光は、カプラ３
を通過して被測定用光ファイバセンサ部２内に入射され
る。光ファイバセンサ部２に入射した大部分の光は光フ
アイバ中を進行するが、その一部はラマン効果によりラ
マン後方散乱光として、レーり散乱光とともに後方散乱
して、カプラ３内に戻ってくる。この時ラマン後方散乱
光としては、基本波（レーり散乱光）より長波長側にず
れたストークス光（波長λ。＋λｉ）と、短波長側にず
れたアンチストークス光（波長λ。−λｉ）とが生じて
いる。このラマン後方散乱光とレーり散乱光との、混合
光は、カプラ３によって分波ユニット４内へ導かれる。

ここで混合光が分波ユニット４内の回折格子面内に斜め
に入射すると、回折光の回折角は波長によってそれぞれ
異なるので、波長ごとに別々の光として分離される。こ
のような分離が２枚の回折格子４ａ、４ｂによりその分
離方向を変えて順次行なわれると、精度良くレーり散乱
光とストークス光およびアンチストークス光゛の３波に
分波される。続いてこれらの光は光検出系５．６に入射
し、検出積算されて、それぞれの波長における強度が計
測される。その結果、ストークス光とアンチストークス
光との強度比から光ファイバセンサ部２の温度が計算に
より求められる。

以上のような装置によれば、光ファイバセンサ部２内で
生じた後方散乱光をカプラ３によって分波ユニット４内
に導き、分波ユニット４内の互いに直交する向きに配置
されている２枚の回折格子４ａ、４ｂによって３波に分
波することができるので、後方散乱光を効率良く受光し
、高い分離精度と低いクロストークで分波することが可
能となる。

［実施例］ 光源として中心波長９０５ｎｍのＩＯＷパルスレーザを
用いパルス光を発振させた。コア径２００μｍ１　クラ
ツド径２５０μｍ１　コア部とクラッド部との比屈折率
差が２．８％、伝送損失８ｄＢ／ｋｍのグレーデッドイ
ンデックス型の光ファイバを用意し、被測定用光ファイ
バとして用いた。光フアイバ内ではラマン後方散乱光と
して波長９４０ｎｍのストークス光と波長８７０ｎｍの
アンチストークス光が生じ、さらに発振波長と同じ波長
のレーリ後方散乱光とを含む混合光が後方散乱して、カ
プラ内に戻ってきたので、カプラによりこの混合光を分
波ユニット内に導いた。分波ユニット内には、２枚の回
折格子を、それぞれの入射光と回折光を含む平面同士が
互いに直交するような向きに配置した。先に分波ユニッ
ト内に入射された混合光は、この２枚の回折格子面に順
次入射し、３波（レーリ散乱光（９０４ｎｍ）、ストー
クス光（９４０ｎｍ）、アンチストークス光（８７０ｎ
ｍ））とに分波されたのち、光検出系にて同時検出され
た。

検出された光のクロストーク値を測定したところ、−６
０ｄＢ以下と非常に小さな数値を示し、低クロストーク
で精度良く分波できたことがわかった。またさらに光検
出系により積算処理を行い、所望の温度信号を得た。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明は光源により出射された
パルス波を導波しラマン効果を生じさせる光ファイバセ
ンサ部と、光源と光ファイバセンサ部との間に配置され
て、光ファイバセンサ部内で生じたラマン後方散乱光を
レーり散乱光とともに分波ユニット内へ導くカプラと、
ラマン散乱光をストークス光とアンチストークス光とに
分離し検出する分波ユニットとを有してなる分布型温度
計測装置において、前記分波ユニットを２枚の回折格子
とから構成し、この２枚の回折格子のそれぞれの入射光
と回折光を含む平面同士が互いに直交するような向きに
配置したものであるので、後方散乱光を効率良く受光し
、レーり散乱光に比べて極めて強度の低いラマン散乱光
の成分であるストークス光とアンチストークス光とを高
精度、低クロストークで分離し、同時検出することが可
能であり、精度良く温度を計測することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の分布型温度計測装置の一例を示す
構成図であり、 第２図は、第１図の温度計測装置の分波ユニットの一例
を示す構成図である。 ｌ・・・・・・光源、　　２・・・・・・光ファイバセ
ンサ部、３・・・・・・カプラ、４・・・・・・分波ユ
ニット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光源により出射されたパルス波を導波しラマン効果を生
   じさせる光ファイバセンサ部と、光源と光ファイバセン
   サ部との間に配置されて、光ファイバセンサ部内で生じ
   たラマン後方散乱光をレーリ散乱光とともに分波ユニッ
   ト内へ導くカプラと、ラマン散乱光をストークス光とア
   ンチストークス光とに分離し検出する分波ユニットとを
   有してなる分布型温度計測装置において、 前記分波ユニットを２枚の回折格子とから構成し、この
   ２枚の回折格子のそれぞれの入射光と回折光を含む平面
   同士が互いに直交するような向きに配置したことを特徴
   とする分布型温度計測装置。