JPH06117883A - 光ファイバ式物理量計測システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 低コストで精度の高い測定を行い得る光ファ
イバ式物理量計測システムを提供する。 【構成】 第１の光ファイバ３４と第２の光ファイバ３
６の間にセンサ３ａ〜３ｄを接続し、光パルス発生器５
から射出された光パルスを第１の光ファイバ３４，セン
サ３ａ〜３ｄ，第２の光ファイバ３６の経路で透過さ
せ、光パルスの強度変化に基づいて物理量を計測する。
センサ３ａ〜３ｄにおける物理量の変化に影響を受けな
いように、第１の光ファイバ３４と第２の光ファイバ３
６の間に接続された参照用光ファイバ２２と、第１及び
第２の光ファイバ３４，３６内で発生する後方散乱光の
うち少なくともレーリ散乱光を検出する分波器９と、参
照用光ファイバ２２を透過した光パルスの強度と、レー
リ散乱光分布を検出する受光器４０と、受光器４０の出
力データに基づいて測定用時系列パルスを補正する信号
処理装置４２とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバ式物理量計測
システムに関し、特に透過形時分割多重方式の光ファイ
バ式分布物理量計測システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、温度，湿度，液体漏洩等の物理量
を検出する光ファイバ式の多点計測システムとして、図
６に示すＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometr
y)を用いた方式や、図７のような透過形時分割多重方式
が考案されている。 図６のＯＴＤＲを用いた方式で
は、１本の光ファイバ２の途中に物理量変化により光損
失が変化する光式物理量センサ３を直列に接続し、ＯＴ
ＤＲ装置１により後方散乱光の分布を検出する。そし
て、この散乱光分布から各センサ部の光損失の変化を求
め、当該光損失に基づいて温度分布等の所定の物理量を
測定する。

【０００３】一方、図７の透過形時分割方式では、２本
の光ファイバ２ａ，２ｂの対応する各位置に光分岐器４
を配置し、これらの分岐器４間に光式物理量センサ３を
接続する。光ファイバ２ａの一端は計測装置８の光パル
ス発生器５に接続され、光ファイバ２ｂの一端は受光器
６に接続されている。光パルス発生器５から光ファイバ
２ａに入射した光パルスは、光分岐器４で分岐され、各
センサ３，光ファイバ２ｂを経由して受光器６に戻る。
受光器６では、各物理量センサ３の位置に対応した遅延
時間毎に受光パルスを検出する。その後、信号処理装置
７により、往復の光ファイバ２ａ，２ｂ中、あるいは分
岐器４による光損失を補正し、図８に示すようなセンサ
部パルス信号１１を測定用時系列パルス列として得る。
そして、このような測定用時系列パルス列に基づいてセ
ンサ出力（物理量）が求めるようになっている。なお、
図中、符号１２はバックグラウンドノイズを示す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の光ファイバ式分布物理量計測システムにお
いては、以下のような種々の問題点が存在した。

【０００５】図６に示したＯＴＤＲ装置１を用いた方式
では、ＯＴＤＲ装置１の近傍の物理量センサ３の損失が
大きくなると信号が減衰し、これによって遠方のセンサ
（後方センサ）からの情報が得られなくなることがあっ
た。

【０００６】一方、図７に示した透過形時分割方式で
は、ＯＴＤＲ方式のような問題はないが、光パルス発生
器５の出力変動や受光器６の受光感度に変動が生じる
と、受光パルス信号レベルも変化し、光式物理量センサ
３による検出信号を正確に把握することが困難であっ
た。そこで、光パルス発生器５及び受光器６に安定化機
構を付加することも考えられるが、装置が大掛かりで経
済性に欠けるという問題点がある。また、光ファイバ２
ａ，２ｂに曲がり等のマイクロベンディングロスが生じ
た場合、受光パルス信号のレベルが変化し、正確な測定
を行えないという問題点がある。

【０００７】更に、従来の方式によると、複数種の物理
量を測定する場合、測定物理量毎にシステムを複数構築
する必要があり、光ファイバ線心数や装置台数の増加に
より、全体のシステムとして非常に大きく且つ高価にな
ってしまう。

【０００８】

【発明の目的】従って、本発明の第１の目的は、低コス
トでありながら精度の高い測定を行い得る光ファイバ式
物理量計測システムを提供することにある。また、本発
明の第２の目的は、複数の物理量を一括測定できる低コ
スト且つコンパクトな光ファイバ式物理量計測システム
を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記第１の目的
を達成するために、第１の光ファイバと第２の光ファイ
バの間にセンサを接続し、光パルス発生器から射出され
た光パルスを第１の光ファイバ，センサ，第２の光ファ
イバの経路で透過させ、これを測定用時系列パルスとし
て検出し、センサにおける光パルスの強度変化に基づい
て当該センサ部における所定の物理量を計測する光ファ
イバ式物理量計測システムにおいて、センサにおける物
理量の変化に影響を受けないように、第１の光ファイバ
と第２の光ファイバの間に接続された参照用光ファイバ
と、第１及び第２の光ファイバ内で発生する後方散乱光
のうち少なくともレーリ散乱光を検出する分波器と、参
照用光ファイバを透過した光パルスの強度と、レーリ散
乱光分布を検出する検出手段と、検出手段の出力データ
に基づいて測定用時系列パルスを補正する信号処理部と
を備えている。

【００１０】更に、第２の目的を達成するために、上記
分波器をレーリ散乱光の他に第１及び第２の光ファイバ
内で発生するラマン散乱光を検出する構成とし、上記信
号処理部をラマン散乱光の分布に基づいて第１及び第２
の光ファイバに沿った温度分布を計測する構成としてい
る。

【００１１】

【作用】以上のように、本発明に係る光ファイバ式物理
量計測システムにおいては、参照用光ファイバを第１の
光ファイバと第２の光ファイバの間に直接接続している
ため、当該参照用光ファイバではセンサにおける物理量
の変化の影響を受けず、光パルス発生器の出力や受光器
の感度の変動がそのまま光損失として現れる。そこで、
この参照用光ファイバにおける光損失に基づいて測定用
時系列パルスを補正することにより、光パルス発生器の
出力や受光器の感度の変動による誤差を確実に除去する
ことができる。更に、分波器によって第１及び第２の光
ファイバ内で発生するレーリ散乱光から第１及び第２の
光ファイバに沿った減衰率（光損失比）を求め、これに
基づいて測定用時系列パルスを補正しているため、光フ
ァイバの曲がり等によるマイクロベンディングロスを確
実に除去できる。

【００１２】更に、分波器においてレーリ散乱光の他に
第１及び第２の光ファイバ内で発生するラマン散乱光を
検出し、信号処理部によってラマン散乱光の分布に基づ
いて第１及び第２の光ファイバに沿った温度分布を計測
しているため、１つのシステムによって少なくとも３種
類の物理量を計測できることになる。すなわち、従来通
りセンサ部における所定の物理量が測定できる他、レー
リ散乱光の検出により第１及び第２の光ファイバに沿っ
た光損失分布を、ラマン散乱光の検出により第１及び第
２の光ファイバに沿った温度分布を各々計測可能とな
る。

【００１３】

【実施例】次に、本発明の一実施例を添付図面を参照し
つつ詳細に説明する。図１には、実施例に係る光ファイ
バ式多点物理量計測システムの構成が示されている。こ
の光ファイバ式多点物理量計測システムは、物理量を検
出するのに必要な光データを得るためのセンサ部３０
と、このセンサ部３０の出力データから所定の物理量を
計測する計測部３２とから構成されている。

【００１４】センサ部３０は、長手方向に平行に配置さ
れた２本の光ファイバ（第１光ファイバ３４，第２光フ
ァイバ３６）と、両ファイバ３４，３６の途中に所定間
隔で設置された光分岐器４ａ〜４ｄ，１６ａ〜１６ｄ，
１８，２０と、対向する光分岐器４ａ−１６ａ，４ｂ−
１６ｂ，４ｃ−１６ｃ，４ｄ−１６ｄの間にそれぞれ接
続された光物理量センサ３ａ〜３ｄとから構成されてい
る。なお、分岐器１８，２０間には光式物理量センサは
接続されず、両分岐器１８，２０は参照用光ファイバ２
２によって接続されている。

【００１５】計測部３２は、光パルス発生器５と、光パ
ルス発生器５から射出されたパルス光を第１及び第２の
光ファイバ３４，３６の何れか一方に選択的に導く（第
１モードと第２モードを切り換える）光スイッチ１５
と、光パルス発生器５から射出された光パルスをセンサ
部３０側に導くとともに、光ファイバ３４からの後方散
乱光を検出（分波）する分波器９と、分波器９又は光ス
イッチ１５を介してセンサ部３０から戻った光パルスを
受光する受光器４０と、受光器４０の出力信号に基づい
て所定の物理量を測定する信号処理装置４２とから構成
されている。

【００１６】次に、以上のように構成された実施例の作
用について説明する。先ず、光スイッチ１５を第１モー
ド（第１光ファイバ３４に入射光を導く）に設定する。
すると、光パルス発生器５から射出された光パルスは、
光分波器９を介して光スイッチ１５で選択された第１光
ファイバ３４に入射し、当該光ファイバ３４の長手方向
に伝搬する。そして、入射光パルスの一部が分岐器１
８，４ａ〜４ｄで分岐されて、第２光ファイバ３６方向
に枝分かれする。

【００１７】第２光ファイバ３６及び光スイッチ１５を
経由して受光器６に受信された光情報は、電気信号に変
換された後、光分岐器１８，４ａ〜４ｄの位置に対応し
た遅延時間に基づき、測定用時系列パルス信号として検
出される。また、第１光ファイバ３４内で発生する散乱
光のうち後方散乱光成分は光スイッチ１５を介して分波
器９に戻り、レーリ散乱光信号とラマン散乱光信号に分
波された後、各々受光器４０で電気信号に変換される。
このように、受光器４０では、レーリ散乱光信号，ラマ
ン散乱光信号，測定用時系列パルス信号の３種類の光情
報が検出される。そして、これらの各信号は信号処理装
置４２に送られる。

【００１８】図２には、上記のように検出された測定用
時系列パルス波形が示されている。各光パルス信号レベ
ルはバックグラウンドノイズ１２のレベルより十分高
く、参照用光ファイバ２２を透過した参照レベル１０か
ら順に各センサ部パルス信号１１ａ〜１１ｄが検出され
る。

【００１９】図３には、レーリ散乱光の分布波形が示さ
れている。分岐器１８での反射ピーク１４から各センサ
３ａ〜３ｄの位置が評定される。一方、散乱光分布波形
の勾配から、第１光ファイバ３４の光損失が検出（算
出）され、光ファイバ３４の途中で局部的な屈曲等によ
り損失が変化すると、図の１３で示すように変曲点とし
て検出される。この場合、図２の１１ｂと１１ｃの間、
すなわち分岐器４ｂと４ｃの間で光ファイバ３４の損失
変化（ベンディング）が発生したことが判明する。

【００２０】信号処理装置４２では、上記のように得ら
れたレーリ散乱光分布（図３）から第１光ファイバ３４
の損失距離特性を求め、この特性と参照用光ファイバ２
２を透過した参照レベル１０（図２）を用いて、上記測
定用時系列パルス（図２）を補正し、各センサ３ａ〜３
ｄにおける相対強度（図４）を求める。このように、本
実施例においては、参照用光ファイバ２２を透過する光
パルスの強度分布に基づいてセンサ３ａ〜３ｄを透過し
た測定用時系列パルスを補正しているため、光パルス発
生器５の出力や受光器４０の感度の変動による誤差が消
去される。また、光ファイバ３４内で発生するレーリ散
乱光分布により当該光ファイバ３４に沿った減衰率（光
損失比）を求め、これに基づいて測定用時系列パルスを
補正しているため、光ファイバ３４の曲がり等によるマ
イクロベンディングロスを消去できる。そして、上記相
対強度（図４）に基づいて各センサ３ａ〜３ｄの所定の
物理量を算出する。一方、ラマン散乱光の２成分である
ストークス光とアンチストークス光の信号強度比から第
１光ファイバ３４に沿った温度分布（図５）を求める。

【００２１】その後、光スイッチ１５を第２モード（第
２光ファイバ３６に入射光を導く）に切り換えて、光パ
ルス発生器５から射出された光パルスを第２光ファイバ
３６に導き、第１光ファイバ３４の場合と同様に、光フ
ァイバ３６内で発生するレーリ散乱光及びラマン散乱光
を検出する。そして、信号処理装置４２では、上記のよ
うな後方散乱光から第２光ファイバ３６の損失距離特性
及び温度分布を求める。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る光フ
ァイバ式物理量計測システムは、参照用光ファイバの損
失特性及びレーリ散乱光による後方散乱光分布に基づい
て、センサを透過する測定用時系列パルスを補正してい
るため、精度の高い測定ができるという効果がある。す
なわち、参照用光ファイバにおける光損失に基づいて測
定用時系列パルスを補正することにより、光パルス発生
器の出力や受光器の感度お変動による誤差を除去するこ
とができる。また、レーリ散乱光分布により第１及び第
２の光ファイバに沿った減衰率（光損失比）を求め、こ
れに基づいて測定用時系列パルスを補正しているため、
光ファイバの曲がり等によるマイクロベンディングロス
を除去できる。

【００２３】更に、分波器においてレーリ散乱光の他に
光ファイバ内で発生するラマン散乱光を検出し、信号処
理部によってラマン散乱光の分布に基づいて光ファイバ
に沿った温度分布を計測しているため、１つのコンパク
ト且つ低コストなシステムによって複数（少なくとも３
種類）の物理量の計測を行えるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施例に係る光ファイバ式
多点物理量計測システムの構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図２は、実施例の作用を説明するためのグラフ
である。

【図３】図３は、実施例の作用を説明するためのグラフ
である。

【図４】図４は、実施例の作用を説明するためのグラフ
である。

【図５】図５は、実施例の作用を説明するためのグラフ
である。

【図６】図６は、従来の光ファイバ式多点物理量計測シ
ステムの構成を示すブロック図である。

【図７】図７は、従来の光ファイバ式多点物理量計測シ
ステムの構成を示すブロック図である。

【図８】図８は、従来技術の作用を説明するためのグラ
フである。

【符号の説明】

３ａ〜３ｄ 物理量センサ ４ａ〜４ｄ，１６ａ〜１６ｄ，１８，２０ 分岐器 ５ 光パルス発生器 ９ 分波器 １５ 光スイッチ ２２ 参照用光ファイバ ３０ センサ部 ３２ 計測部 ３４ 第１光ファイバ ３６ 第２光ファイバ ４０ 受光器 ４２ 信号処理装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋場 圭一 茨城県日立市日高町５丁目１番１号 日立 電線株式会社日高工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 並列的に配置された第１の光ファイバ及
   び第２の光ファイバと、これら２本の光ファイバの間に
   接続されたセンサと、前記第１の光ファイバに所定の光
   パルスを供給する光パルス発生器とを備え、前記第１の
   光ファイバ，前記センサ，前記第２の光ファイバの経路
   で透過した前記光パルスを測定用時系列パルスとして検
   出し、この測定用時系列パルスに基づいて前記センサ部
   における所定の物理量を計測する光ファイバ式物理量計
   測システムにおいて、 前記センサにおける物理量の変化に影響を受けないよう
   に、前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバの間
   に接続された参照用光ファイバと、 前記第１及び第２
   の光ファイバ内で発生する後方散乱光のうち少なくとも
   レーリ散乱光を検出する分波器と、 前記参照用光ファイバを透過した光パルスの強度と、前
   記レーリ散乱光分布を検出する検出手段と、 前記検出手段の出力データに基づいて、前記測定用時系
   列パルスを補正する信号処理部とを備えたことを特徴と
   する光ファイバ式物理量計測システム。
2. 【請求項２】 前記分波器が、前記レーリ散乱光の他に
   前記第１及び第２の光ファイバ内で発生するラマン散乱
   光を検出する構成であり、 前記信号処理部が、前記ラマン散乱光の分布に基づいて
   前記第１及び第２の光ファイバに沿った温度分布を計測
   する構成であることを特徴とする請求項１記載の光ファ
   イバ式物理量計測システム。
3. 【請求項３】 前記光ファイバ式物理量計測システム
   が、更に、前記光パルス発生器から射出された光パルス
   を前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとに選
   択的に導く光スイッチを備えていることを徴とする請求
   項１又は２記載の光ファイバ式物理量計測システム。