JPH02201129A - 光ファイバ式分布形温度センサ - 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】 Ｕ産業上の利用分野］ 本発明は温度センサ特に光ファイバ式分布形温度センサ
に関するものである。

［従来の技術］ 光ファイバ式分布形温度センサは、光フアイバ中の散乱
光強度が温度によって変化することを利用し、この変化
を公知のＯＴ　Ｄ　Ｒ（０ｏｔｉｃａｊ口１１ｅ　Ｄｏ
ｍａｉｎ　ＲｅｆｌｅｃｔｏＩＩｅｔｒｙ）の手法で検
知することにより、光ファイバの長手方向に沿った温度
分布を計測するものである。方式としてはラマン散乱光
を利用したものとレーリー散乱光を利用したものが知ら
れており、前者の信号は後者に比べ、微弱（約１００〜
１／１０００）であるが、温度変化に対する信号変化層
が大きく、有望な方式と考えられている。

本出願人が先に提案したラマン散乱光を利用した光ファ
イバ式分布形温度センサ（以下、単にラマン式温度セン
サと呼ぶ）は、光ファイバの一端から波長λ０、パルス
幅Ｔｗ、パルス周ｊｔｊｌ　Ｔ　ｐの光を入射させ、光
フアイバ内で発生するラマン散乱光の二成分である波長
λａのアンチストークス光、及び波長λＳのストークス
光を、パルス光入射時刻を１＝０として、それぞれ時間
の関数１　ａ（ｔ）、　　Ｉ　５（ｔ）として測定し、
これらの比Ｉ　ａ（ｔ）／　Ｉ　５（ｔ）が純粋に温度
の関数であること、及び光パルス入射後、光パルス入射
端（後方１孜乱光計測、ｇ）に戻ってくるまでの時間が
２ＸＬ、／Ｃｏであること（ＣＯ；光フアイバ中の光速
）を利用して、光ファイバに沿った線状の温度分布測定
を行う装置である。

アンチストークス光及びストークス光の後方散乱光計測
は、光ファイバの破断点検知等に用いる０ＴＤＲとほぼ
同じｕノ定方法で行われている。

上記ラマン式温度センサは、例えば塩カケープルに沿わ
せてセンサ用光ファイバを敷設することにより、電力ケ
ーブルの長手方向の温度分布を知ることができ、送電容
量の制御等に利用したり、ケーブルの劣化等により生じ
る部分的に温度の高い箇所の検知等が行なえる。また、
ビルやトンネル等の火災検知用として使用すれば、火災
発生位置の標定を行うことらできる。

第４図は、上記ラマン式温度センサの具体的構成例であ
り、計測装置１０とセンサ用光ファイバ２０から構成さ
れている。

計測装置１０内のパルス光源２から出射された光は、光
ファイバ２１、光分岐２Ｉ１３１を介してセンサ用光フ
ァイバ２０に導かれ、該光フアイバ内で後方散乱光を励
起する。励起された後方散乱光の一部は計測装置１０側
に戻り、光分岐器３１、光ファイバ２２を介して光分岐
器３２に導かれる。

光分岐器３２で二分された後方散乱光のうち、光ファイ
バ２３ａに導かれたものは、中心波長λａの光学フィル
タ４ａ、受光器５ａ及び平均化処理回路６ａで構成され
るアンチストークス光用０ＴＤＲ計測回路３０ａに入り
、この光強度からアンチストークス光強度の時間関数１
　ａ（ｔ）が求められる。＠方、光分岐８１１３２で二
分された後方散乱光のうち、光ファイバ２３ｓに導かれ
たものは、中心波長λＳの光学フィルタ４ｓ、受光器５
ｓ及び平均化処理回路６５″ｃ４１！成されるストーク
ス光用０ＴＤＲ計測回路３０ｓに入り、この光強度から
ストークス光強度の時間関数１５（ｔ）が求められる。

パルス光源２と平均化処理回路６ａ、６ｓの同期合せは
、トリガ回路１の同期信号によって行う。

得られた時間関数１　ａ（ｔ）及びＩ　５（ｔ）を温度
分布演算回路７に入力し、Ｉ　ａ（ｔ）／　Ｉ　５（ｔ
）の演算を行うことにより、センサ用光ファイバに沿っ
た線状温度分布測定を行っている。

［発明が解決しようとする課題］ ラマン式温度センサは上述した方法で線状の温度分布が
測定でき、これまでに検討されてきた線状温度分布測定
法の中では、感度が高く、実用的な方式であるため、長
距離の温度分布が計測できる可能性がある。

ところで、レーリー散乱光の波長λｒは入射光の波長＾
０と同一であるなめ、第２図に示すように、レーリー散
乱光の波長分布は入射光の波長分布とほぼ同一となる。

これに対し、アンチストー２ス光の波長λａは入射光の
波長λ０よりΔλ「（数〜数十ｒ＋１）だけ短くなり、
逆にストークス光の波長λＳは入射光の波長λ０よりΔ
λｒだけ長くなる。

また、ラマン散乱光（アンチストークス光とストークス
光）はレーリー散乱光に比べ、非常に微弱（約１／１０
０〜１／１（１００）であり、それぞれの波長ら接近し
ていることから、入射パルス光が完全な９色光（単一の
波長を有する光）でないため、第２図に示すように、ラ
マン散乱光の波長領域にもレーリー散乱光成分の一部が
入る。

このため、ラマン散乱光成分のみを完全に分離すること
は几しく、温度測定精度にある限界を与えていた。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を改善し、高
精度の光ファイバ式分布形温度センサを提供することに
ある。

Ｌ課題を解決するための手段］ 本発明の光ファイバ式分布形温度センサは、計測系内の
光源からセンサ用光ファイバに光パルスを入射させ、該
ファイバで発生する後方散乱光を該計測系に導くと共に
、これら後方散乱光の中からレーリー散乱光の中心波長
域及びラマン散乱光のストークス光若しくはアンチスト
ークス光の中心波長域の光を分離する手段と、該分離さ
れたストークス光若しくはアンチストークス光の中心波
長域を対↑波長域として固定して、前記分離されたスト
ークス光若しくはアンチスＩ・−ラス光の光強度から前
記分離されたレーリー散乱光の′ＮＮ家長長域の換算光
強度を差し引いて真のラマン散乱光成分を求め、求めた
真のラマン散乱光成分と１１η記レーリー散乱光の光強
度との比からセンサ用光ファイバの温度を求める演算手
段とを設けて桶成したものである。

別の形層としては、計測系内の光源からセンサ用光ファ
イバに光パルスを入射させ、該ファイバで発生ずる後方
散乱光を該計測系に導くと共に、これら後方散乱光の中
からレーリー散乱光中心波長域並びにラマン散乱光のス
トークス光及びアンチストークス光の中心波長域の光を
分離する手段と、該分離されたストークス光の中心波長
域及びアンチストークス光の中心波長域をそれぞれ対象
波長域として固定して、前記分離されたストークス光及
びアンチストークス光の光強度からそれぞれ前記分離さ
れたレーリー散乱光の対象波長域でのｔａＸ光強度を差
し引いて、真のラマン散乱光成分としてのストークス光
及びアンチストークス光の光強度を求め、求めた真のラ
マン散乱光成分としてのストークス光の光強度とアンチ
ストークス光の光強度との比からセンサ用光ファイバの
温度を求める演算手段とを設けて楕成することもできる
。

ｒ作用ｌ ラマン散乱光（アンチストークス光、ストークス光）及
びレーリ散乱光の光強度は入射光強度■０に比例するが
、その温度依存性は前者が大きく後者は小さい、従って
、レーリ欣乱光の温度依存性を前者に比べ無視し、アン
チスト−クス光及びストークス光の温度関数をｆａ（丁
）、　ｆ　５（Ｔ）とすると、アンチストークス光、ス
トークス光及びし−り散乱光の光強度Ｔ　ａ（ｔ）、Ｉ
　５（ｔ）、Ｉ　ｒ（ｔ）は、Ｉａ（ｔ）＝Ｂａｘｆａ
（Ｔ）ｘｌｏ　　　　−（ｉ）Ｉ　５（ｔ）＝　Ｂ　ｓ
　ｘ　ｆ　ｓ（■）ｘ　Ｉ　ｏ・（２）Ｉ　ｒ（ｔ）＝
Ｂｒ　ｘ　Ｉｏ　　　　　　　　−（３）但し、Ｂａ、
Ｂｓ、Ｂｒ：比例定数 となり、Ｉ　ａ（ｔ）／　Ｉ　ｒｆｔ）あるいは、Ｉ　
５（ｔ）／Ｉ　ｒ（ｔ）が純粋に温度の関数となること
が判る。

？ｉＡＸ手段は、ラマン散乱光によるアンチストークス
光とストークス光の一方又は両方の・ｍ報に加え、レー
リー散乱光の情報も活用して、センサ用光ファイバの温
度を算出する。算出手順は、ストークス光及び／又はア
ンチストークス光の光強度からレーリー散乱光の対象波
長域での換算光強度を差し引くことにより、真のラマン
散乱光成分としての純粋なアンチストークス光又はスト
ークス光の光強度を求めてこれとレーリー散乱光の光強
度との比をとるが、純粋なストークス光とアンチストー
クス光の光強度を共に求めて両者の比をとることによる
。ラマン散乱光成分のみが完全に分離される結果となる
ので、光ファイバ式分布形温度センサの精度が大幅に向
上する。

尚、後方散乱光の発生位置は、光パルスの入射時刻と後
方散乱光が計測系へ到達する時刻の差から求めることが
できる。

レーリー散乱光やラマン散乱光のそれぞれの中心波長域
の光、正確には中心波長に相当する波長領域の光を分離
する手段としては、それぞれの波長に適合した光分波器
、光方向性結合器あるいは分岐器とフィルタの組合わせ
等を用いることができる。

［実施例１ 以下、本発明による光ファイバ式分布形温度センサの実
施例を第１図により説明する。本実施例による光ファイ
バ式分布形温度センサの基本構成１、Ｊ第１１図に示ず
センサ例とほぼ同じであり、異なる点は以下の通りであ
る。

まず構成上は、０ＴＤＲ計潤回路として、ストークス散
乱光用０ＴＤＲ計測回路３０ｓの代わりにレーリー散乱
光用０ＴＤＲ計測回路３０ｒを挿入した形となっている
。このレーリー散乱光用０ＴＤＲ計潤回１ＪＲ３０ｒは
、中心波長λｒの光学フィルタ４ｒ、受光器５ｒ及び平
均化処理回路６ｒで構成され、もう一方のアンナス１−
−クス光Ｊｎ　ＯＴ”　Ｄ　Ｒ計測四Ｒ３０ａは、中心
波長λａの光学フィルタ４ａ、受光器５ａ及び平均化処
理回路６ａで構成されている。

次に、この第１図に示す光クイアバ式分布形温度センサ
の動作について説明する。

計ｎ１装置１０内のパルス光源２から出射された光（波
長λＯ）は、光ファイバ２１、光分岐器３１を介し、セ
ンサ用光ファイバ２０に導かれ、該光フアイバ内で後方
散乱光を励起する。励起された後方散乱光の一部は計測
装置１０側に戻り、光分岐器３１．３２を介して、上記
２つの０ＴＤＲ計潤回路３０ａ、３０ｒに導かれる。即
ち、光分岐３ｉ３２で二分されて光ファイバ２３ａに導
かれたものは、アンチストークス光用０ＴＤＲ計ａμｍ
回路３０ａに入り、他方、光ファイバ２３ｒに導かれた
ものは、レーリー散乱光用０　’Ｔ”　Ｄ　Ｒ計測回路
３０ｒに入る。

両０ＴＤＲ計測回路３０ａ、３Ｏｒにおいて、後方散乱
光は、まずフィルタ４ａ、４ｒで、それぞれの中心波長
λａ、λ「における波長領域の光に変換され、受光器５
ａ、５ｒに入る。受光器５ａ、５ｒ”ｅ電気情報に変換
された信号は、次に平均化処理回路６ａ、６ｒに入力さ
れてＳＮ比が改首される。その情報は、温度分布演算回
路７に入力され、センサ用光ファイバ２０の温度分布が
求められる。

次に、温度分布演算回路７での演算処理法の考え方につ
いて述べる。

０　’Ｉ”　Ｄ　Ｒ１ｔｌ−測回路３０ａ、３０ｒで得
られた光強度は見掛上の値であるので、アンチストーク
ス光及びレーリー光の光強度に対応した光強度の時間関
数をそれぞれ■“ａ（ｔ）　、Ｉ　’ｒ（ｔ）とする。

ここで、見掛上の光強度としたのは、第２図に示したよ
うに、ラマン散乱光が発生する波長領域５０６０にもレ
ーリー散乱光成分が含まれているなめである。これら求
められた見掛上の光強度１　’ａ（ｔ）　、Ｉ　’ｒｍ
を演算回路７に入力し、真の散乱光強度を求める。

先ず、第２図の如くレーリー散乱光が発生する波長領域
４０にもラマン散乱光成分が含まれているが、後者は前
者に比べ無視できるほど小さいので、 Ｔ　ｒ（ｔ）−Ｉ　’ｒ（ｔ）　　　・・・（４）但し
、Ｉ　ｒ（ｔ）　；レーリー散乱光強度となる。

また、アンチスト−クス散乱光か発生する波長領域５０
で波長を固定すると、アンチストークス散乱光とレーリ
ー散乱光の光強度比は一定であるので、 Ｉａ（ｔ）＝Ｉ’ａ（ｔ）−ＣＩＸＩ’ｒ（ｔ）　　−
（５）但し、Ｉ　ａ（ｔ）　；アンチストークス光強度
Ｃ３；比例定数 この様にして得られたＩ　ａ（ｔ）は真のラマン散乱光
成分であり、上記（１）、　（３）式を用いることによ
り、温度関数ｆａｎが次式で求まる。

ｆ　ａｍ＝　（Ｉ　’ａ（ｔ）　−Ｃ、Ｘ　Ｉ　’ｒ（
ｔ）　）ｘ　１　／　　Ｉ　’ｒ（ｔ）　　　　　　　
−（６）この温度間数ｆ　ａ（Ｔ）は選定された光ファ
イバに対して予め校正値を得ることができるため、逆に
散乱光＋ｆｔ報から温度関数ｆａ（Ｔ）が求められると
、センサ用光ファイバの温度が高精度で計測される。

上記例はラマン散乱光情報として、アンチストークス光
を用いたものであるが、ストークス光を用いても、同様
にして、センサ用光ファイバの温度を計測できる。この
とき温度関数ｆａ（Ｔ）は以下のようになる。

ｆ　ｓｍ＝　（１’Ｎｔ）　−Ｃ、ｘ　Ｉ　’ｒ（ｔ）
　）Ｘ　１　／　Ｉ　’ｒ（ｔ）　　　　　　　・・・
（７）また、ラマン散乱光が発生する点までの距離を１
−１光フアイバ中の光速をＣｏ、光パルス入射後戻って
くるまでの時間をｔとすると、次の（８）式から距１１
ｉＬが求まる。

Ｌ＝ＣＯＸ　ｔ／２　　　　　　　−（８）このように
して、センサ用光ファイバ２０に沿った線状温度分布測
定が行える。

なお、比例定数Ｃ＋、Ｃｘは、センサ用光ファイバ２０
が短尺の場合は一定として取扱えるが、長尺の場合には
各波長によって、距離減衰特性が異なるのでこの補正を
行う必要がある。この補圧は対象波長に対する光ファイ
バの距離減衰特性と入射パルス光の波長分布から容易に
行えるものである。

第１図では波長分離手段として分岐器を用いたが、分波
器や方向性結合器あるいはこれらの組合わせを用いても
良い、また、分岐器を用いる場合にはラマン散乱光とレ
ーリー散乱光の分岐比を、それぞれの光強度の逆数比と
しても良い（例えば、光強度比が１００；１の場合には
分岐比を１　；　１００とする）。

第３図は、本発明の光ファイバ式分布形温度センサの他
の実施例である。

この実施例では、０ＴＤＲ計測回路として、第４図のア
ンチストークス光用ＯＴ　Ｄ　Ｒｔｆ測回路３０ａ、ス
トークス散乱光用０ＴＤＲ計測回路３０ｓに加えて、更
に、レーリー散乱光用０ＴＤＲ計測回路３０ｒを有して
いる。また、光分岐器３１．３２を光分波器９に変え、
後方散乱光の分離を容易にしており、これに伴って、０
　’Ｔ”　Ｄ　Ｒ計測回路３０ａ、３０ｓ、３０ｒから
は光学フィルタ４ａ、４ｓ、４ｒが省略されている。

次に、第３図の光ファイバ式分布形温度センサの動作に
ついて説明する。

Ｊ１泗装置１０内のパルス光源２から出射された光（波
長λ０）は光ファイバ２１、充分波器９を介してセンサ
用光ファイバ２０に導かれ、該光フアイバ内で後方散乱
光を励起する。励起された後方散乱光の一部は計測装置
１０側に戻り、光分波器９、光ファイバ２３ａ、２３ｓ
、２３ｒを介して、０ＴＤＲ計測回路３０ａ、３０ｓ、
３０ｒに導かれる。

光分波器って３分波出力された後方散乱光のうち、光フ
ァイバ２３ａに導かれたものは、中心波長λａにおける
波長領域の光であり、光を電気信号に変換する受光器５
ａ及び平均化処理回路６ａで構成されるアンチストーク
ス光用０ＴＤＲ計測回ｎ　３０　ａに入り、この光強度
から見掛上のアンチストークス光強度の時間関数Ｉ　’
ａ（ｔ）が求められる。同様にして、ストーク光用０Ｔ
ＤＲ計測回路３０ｓ及びレーリー散乱光用０ＴＤＲ計測
装置３０ｒから、それぞれに対応した見掛上の光強度の
時間関数１　’５（ｔ）　、　　Ｉ　’ｒ（ｔ）が求め
られる。

これら求められた見掛上の光強度Ｉ　’ａ（ｔ）１　’
５（ｔ）　、　　Ｉ　’ｒ（ｔ）を演算回路７に入力し
、真の散乱光強度を求める。

先ず、レーリー散乱光強度１　ｒ（ｔ）は、」１記（４
）式と同じくラマン散乱光成分を無視して、Ｉ　ｒ（ｔ
）＝　Ｉ　’ｒ（ｔ）　　　　　　　・・・（９）とな
る。

また、ラマン散乱光が発生ずる波長領域５０６０で波長
を固定すると、ラマン散乱光とレーリー散乱光の光強度
比は一定であるので、Ｔａ（ｔ）＝Ｉ’ａ（ｔ）−Ｃ，
ＸＩ’ｒ（ｔ）　　−（１０）Ｉ　５（ｔ）＝　Ｉ　’
５（ｔ）−Ｃ２ｘ　Ｉ　’ｒ（ｔ）　　・・・（１１）
但し、Ｉ　ａ（ｔ）　；アンチストークス光強度Ｉ　５
（ｔ）　；ストークス光強度 ｃｔ　、　Ｃ２；比例定数 この様にして得られなＩ　ｆｆ（ｔ）及びＩ　５（ｔ）
は真のラマン散乱光成分であり、Ｉ　ａ（ｔ）／　Ｉ　
５（ｔ）が純粋に温度の関数となるので、 （１’ａ（ｔ）　　Ｃ＋　ｘ　Ｉ　’ｒ（ｔ）　）ｘ　
１／　（１’５（ｔ）　−Ｃ，ｘ　Ｉ　’ｒ（ｔ）　）
の演算を行うことにより、高精度の温度計ｉ１！ｌＪか
できる。

また、ラマン散乱光が発生する点までの距離しは、上記
（８）式より求まる。

このようにして、第３図の場合にも、センサ用光ファイ
バ２０に治った線状温度分布測定が行える。

なお、第３図では波長分＾を手段として分岐器を用いた
が、第１図で示したように、分岐器とフィルタの組合わ
せを用いてらよく、また、そのように分岐器を用いる場
合にはラマン散乱光とレーリー散乱光の分岐比を、それ
ぞれの光強度の逆数比としても良い。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、以下の顕著な効果
を奏することができる。

（１）入射パルス光が完全な単色光（単一の波長を有す
る光）でなくても、ラマン散乱光を分Ｍでき、センサの
温度を高精度で測定できる。

（２）レーリー散乱光も計測しているため、この・ｉｎ
報から、光フアイバー損失の時間変化ら把握でき、セン
サ用光ファイバの異常等を認識できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光ファイバ式分布形温度センサの
構成例を示す図、第２図は光フアイバセンサ内で発生す
る後方散乱光の波長分布概念図、第３図は本発明による
光ファイバ式分布形温度センサの曲の構成例を示す図、
第４図は既に提案されている光フアイバ式分布温度セン
サの構成例を示す図である。 図中、１はトリガ回路、２はパルス光源、４ｓ、４ａ、
４ｒは光学フィルタ、５ｓ、５ａ。 ５ｒは受光器、６ｓ、６ａ、６ｒは平均化処理回路、７
は温度分布演算回路、９は光分波器、１０は計測装置、
２０はセンサ用光ファイバ２１．２２．２３ｓ、２３ａ
、２３ｒは光ファイバ、３１．３２は光分岐器、３０ｓ
はストークス光用０ＴＤＲ計測回路、３０ａはアンチス
トークス光用０ＴＤＲ計測回路、３０ｒはレーリ光用０
ＴＤＲ計測回路を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、計測系内の光源からセンサ用光ファイバに光パルス
   を入射させ、該ファイバで発生する後方散乱光を該計測
   系に導くと共に、これら後方散乱光の中からレーリー散
   乱光の中心波長域及びラマン散乱光のストークス光若し
   くはアンチストークス光の中心波長域の光を分離する手
   段と、該分離されたストークス光若しくはアンチストー
   クス光の中心波長域を対象波長域として固定して、前記
   分離されたストークス光若しくはアンチストークス光の
   光強度から前記分離されたレーリー散乱光の対象波長域
   での換算光強度を差し引いて真のラマン散乱光成分を求
   め、求めた真のラマン散乱光成分と前記レーリー散乱光
   の光強度との比からセンサ用光ファイバの温度を求める
   演算手段とを設けたことを特徴とする光ファイバ式分布
   形温度センサ。 ２、計測系内の光源からセンサ用光ファイバに光パルス
   を入射させ、該ファイバで発生する後方散乱光を該計測
   系に導くと共に、これら後方散乱光の中からレーリー散
   乱光の中心波長域並びにラマン散乱光のストークス光及
   びアンチストークス光の中心波長域の光を分離する手段
   と、該分離されたストークス光の中心波長域及びアンチ
   ストークス光の中心波長域をそれぞれ対象波長域として
   固定して、前記分離されたストークス光及びアンチスト
   ークス光の光強度からそれぞれ前記分離されたレーリー
   散乱光の対象波長域での換算光強度を差し引いて、真の
   ラマン散乱光成分としてのストークス光及びアンチスト
   ークス光の光強度を求め、求めた真のラマン散乱光成分
   としてのストークス光の光強度とアンチストークス光の
   光強度との比からセンサ用光ファイバの温度を求める演
   算手段とを設けたことを特徴とする光ファイバ式分布形
   温度センサ。