JPH0823513B2 - 分布型光ファイバセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、光ファイバ内を導波する光パルスによる
後方散乱光を検出してファイバ周囲の物理量分布を求め
る分布型光ファイバセンサに関する。

（従来の技術） プラントなどにおける反応炉、配管などの長尺構造物
やトンネル、海底などの広域物理量分布、主には温度分
布を測定する場合、従来は点センサを被測定対象の各位
置に配置して測定するようにしている。

しかしながら、このような点センサの集合では、デー
タ伝送の面、信号処理時間の問題、および経済性などの
理由から数十から数百のセンサによる荒い分布計測しか
実現できない問題点があった。

そこで、広域計測のためには、本質的に分布計測が可
能な装置として、例えば画像計測も利用されるようにな
っているが、分布型光ファイバセンサも本質的に一次元
の分布計測ができる分布型センサである。

この分布型光ファイバセンサの原理は、第３図に示す
ようにレーザー光源１から単発パルス２を測定用光ファ
イバ３に入射し、測定用光ファイバ３内の各部からの後
方散乱光4a,4b,…を検出して、この後方散乱光の長さ方
向の分布を時系列信号５に変換して求める。そうすれ
ば、この後方散乱光の強度が被測定物理量に依存してい
るため、散乱光分布により被測定物理量の一次元分布が
測定できる。

ところが、後方散乱光は検出器に至るまでに測定用フ
ァイバ３内を減衰しながら伝播するために、受信される
信号強度は散乱を受けた位置と測定用光ファイバ３の減
衰率との積の形になり、第３図の時系列信号５のように
なる。このため、測定用光ファイバ３の損失の影響を補
償するために、従来は、あらかじめ光ファイバの減衰特
性６を測定しておき、測定結果５から減衰特性６を引き
去ることにより引測定物理量分布７を求めていた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の分布型光ファイバセ
ンサでは、光ファイバの伝送損失が光ファイバケーブル
の敷設状況の影響を受けるために減衰特性が一定ではな
く、付設現場ごとに減衰特性を求めなければ正しい測定
が実現できない問題点があり、また被測定物理量の影響
を受けない状況で減衰特性を測定する必要があるが、こ
のような条件は実現することが困難であり、結果として
減衰特性の補償精度を向上させることができない問題点
があった。

この発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされ
たもので、光ファイバの伝送損失の影響と後方散乱光強
度を分離測定することのできる補償手段を備え、後方散
乱光分布を正確に測定することのできる分布型光ファイ
バセンサを提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明の分布型光ファイバセンサは、光パルスを発
生する光源と、異なった長さの複数の光ファイバと、前
記光源からの光パルスを前記異なった長さの各々の光フ
ァイバに結合させるための光スイッチと、物理量を測定
するために、前記異なった長さの複数の光ファイバに接
続された測定用光ファイバと、この測定用光ファイバの
後方散乱光を検出器に導くための方向性結合器と、後方
散乱光を電気信号に変換して増幅する検出器と、この検
出器の出力に対して前記複数の光ファイバを通ることに
より光パルスに生じるあらかじめ決定されている光ファ
イバの伝送損失を基にした補正演算を行い、前記測定用
光ファイバの長さ方向各部の被測定物理量分布を求める
信号処理装置とを備えたものである。

（作用） この発明の分布型光ファイバセンサでは、光ケーブル
に対して長さの異なる複数の光ファイバを介して光パル
スを入射させ、それぞれの経路における光パルスに対す
る後方散乱光分布を得る。

一方、あらかじめ２つの経路それぞれにおける後方散
乱光分布を表わす一般式に対して光ファイバの減衰項を
キャンセルする処理を施し、散乱係数を表わす式にまと
めておく。

そして、前記２つの経路それぞれで得られる後方散乱
光分布の測定結果を前記散乱係数を表わす式に代入する
ことにより散乱係数を得、これから光ケーブルの長さ方
向各部の最終的に被測定物理量分布を求めることができ
る。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説する。

第１図はこの発明の一実施例の回路構成を示してお
り、光パルスを出力するレーザー光源11と、この光源11
からの光パルスを切り替え出力する光スイッチ12と、光
スイッチ12により光パルスに切り替えられて結合される
長さの異なった２本の光ファイバ13a,13bと、これらの
光ファイバ13a,13bそれぞれからの光を光ケーブル側に
出力し、光ケーブル側からの後方散乱光を別系統に分離
する方向性結合器14a,14bと、これらの方向性接合器14
a,14bそれぞれからの光パルスを光ケーブルに伝達する
光ファイバ15a,15bと、これらの光ファイバ15a,15bそれ
ぞれにより伝達される光パルスが入射される測定用光フ
ァイバケーブル16とを備えている。

前記光ファイバ13a,13bは長さが異なるだけであり、
その他の仕様はまったく同一のものである。また、測定
用光ファイバケーブル16は物理量分布を測定する場所に
設置されるものである。

この実施例の分布型光ファイバセンサは、さらに測定
用光ファイバケーブル16から得られる後方散乱光を光フ
ァイバ15a,15bと方向性結合器14a,14bを介して取り出す
光ファイバ17a,17bと、この光ファイバ17a,17bにより取
り出された後方散乱光を通過させる方向性結合器18と、
後方散乱光を電気信号に変換する検出器19と、電気信号
の増幅器20と、アナログ信号をディジタル信号に変換す
るAD変換器21と、ディジタル信号処理を行って測定用光
ファイバケーブル16の長さ方向の被測定物理量の分布状
態を算出する信号処理記憶装置22と、この信号処理記憶
装置22による信号処理結果を出力するディスプレイ23と
を備えている。

前記方向性結合器14a,14b、光ファイバ15a,15b、およ
び光ファイバ17a,17bは、ここを通る光信号の損失が同
一となるようにするために、全くの同一長さおよび同一
仕様のものが使用される。

次に、上記の構成の分布型光ファイバセンサの動作に
ついて説明する。

光源１から発せられた光パルスは、光スイッチ12とこ
の光スイッチ12により選択されたいずれかの光ファイバ
13a,13b、方向性結合器14a,14b、光ファイバ15a,15bを
介して測定用光ファイバケーブル16に導かれる。

測定用光ファイバケーブル16の内部では、測定用光フ
ァイバケーブル16の設置されている現場においてその軸
方向各部にかかる外力の大小や温度の高低に応じて強度
の異なる後方散乱光が発生する。

この後方散乱光は、前記と同様に光スイッチ12によっ
て選択されているいずれかの光ファイバ15a,15b、方向
性結合器14a,14b、光ファイバ17a,17bおよび方向性結合
器18を介して検出器19に入力され、ここで電気信号に変
換される。

そして、この電気信号が増幅器20で増幅され、AD変換
器21でディジタル化され、信号処理記憶装置22に入力さ
れて信号処理され、処理結果がディスプレイ23により表
示される。

ここで、２つの異なった長さの経路を通して光パルス
を測定用光ファイバケーブル16に導くために光スイッチ
12が光パルスを光ファイバ13a,13bのいずれに結合させ
るかを選択して切り替えるが、この光スイッチ12の切り
替えは信号処理記憶装置22により制御される。

そして、光スイッチ12を切り替えることにより測定用
光ファイバケーブル16における位置ｘにおける後方散乱
光の強度が異なった伝送損失で測定できる。そこで、光
ファイバ13a,13bの単位長さ当りの伝送損失が等しいと
すれば（光ファイバ13a,13bはまったく同一仕様のもの
で、長さだけが異なるものが使用されているので、この
ように仮定することができる）、あらかじめ長さが判明
している光ファイバ13bによる過剰損失は一定であり、
光ファイバ13a,13b両者の信号の演算から散乱係数を求
めることができる。

つまり、光パルス反射法の場合の検出器19の出力Ｐ
（ｔ）は、次のようになることが知られている。

Ｐ（ｔ）＝ Ｋ・Ｓ・α_ｓ（ｘ）・P_o・Ｗ ×exp（−αv_gt） …（１） ここで、 t:時間 S:散乱光のうちの後方散乱光として測定用光ファイバけ
ーブル16内を伝送する割合 P_o:光パルスピークパワー W:光パルス幅 α：測定用光ファイバケーブル16の伝送損失 v_g:測定用光ファイバケーブル16内の光の群速度 K:比例定数 であり、α_ｓ（ｘ）は位置ｘにおける散乱光となる割合
を示し、その値が被測定物理量に依存している。

そこで、今、後方散乱光の割合Ｓは測定用光ファイバ
ケーブル16内で一定であり、光パルスピークパワーP_o、
光パルス幅Ｗは十分に再現性が良く、一定であると考え
ることができるので、Ｋ・Ｓ・P_o・Ｗは 改めて、 Ｋ＝Ｋ・Ｓ・P_o・Ｗ と置くことができ、上記の（１）式は、 Ｐ（ｔ）＝ Ｋ・α_ｓ（Ｘ）・exp（−αv_gt） …（２） となる。

次に、この式（２）に対して、光スイッチ12を長さの
短い方の光ファイバ13aに接続した場合の検出信号は、 P₁（ｔ）＝ Ｋ・α_ｓ（ｘ）・exp（−αv_gt） …（３） であり、次に光スイッチ２を長さが長い方の光ファイバ
13bに接続した場合の検出信号は、その長さをＬとする
と、 の関係があるので、 P₂（ｔ）＝ Ｋ・α・（ｘ） ×exp（−αv_g（ｔ−t₁）） …（４） が得られる。

ここで、（３），（４）式それぞれの対数をとれば、 lnP₁（ｔ）＝ lnK＋lnα_ｓ（ｘ）−αv_gt lnP₂（ｔ）＝ lnK＋lnα_ｓ（ｘ）−αv_g（ｔ−t₁） となる。

さらに、上記の両式からv_gtの項を消去してlnα
_ｓ（ｘ）について整理すれば、 となる。

なおここで、 の関係がある。また、t₁は長さＬが決定されれば定ま
る。

以上の考察から、散乱係数α_ｓ（ｘ）の値が光ファイ
バの損失αの値に影響されずに算出できることが示され
た。すなわち、伝送損失αそのものの値は周囲の種々の
条件により変化するが、それにもかかわらず散乱係数α
_ｓ（ｘ）の測定が可能となり、散乱係数αに影響を与え
る被測定物理量の分布測定が安定に行なえるのである。

なお、この発明の上記の実施例に限定されず、例えば
第２図に示すように方向性結合器14a,14bと測定用光フ
ァイバケーブル16との間に方向性結合器24を備えれば、
共通の１本の光ファイバ25により測定用光ファイバケー
ブル16内の後方散乱光の測定ができ、２本の光ファイバ
15a,15bに代えて１本の光ファイバ25により光源11側と
現場に設置される測定用光ファイバケーブル16との間の
長い距離を接続することができ、経済性を向上させるこ
とができると共に、この部分での散乱係数α_ｓのばらつ
きの問題もなくすことができる。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、あらかじめ長さの異
なる２つの光ファイバに対する後方散乱光分布の式に対
して光ファイバの損失をキャンセルする操作により１つ
の式に結び付け、散乱係数についてまとめる処理をする
ことにより得られる散乱係数表示式を得ておき、実際の
測定に当っては長さの異なる２つの光ファイバそれぞれ
を通して測定用ファイバケーブルに入射させた光パルス
に対して得られる後方散乱光分布を前記散乱係数表示式
の該当する項に代入し、散乱係数を得るようにしている
ため、従来のようにあらかじめ決定されている固定的な
減衰特性に基づいて補正し、正規の後方散乱光分布を求
めるのに比べて、光ファイバの長さの違いによる伝送損
失の変動の影響を受けることがなく、常に正確に物理量
測定ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の回路ブロック図、第２図
はこの発明の他の実施例のブロック図、第３図は一般的
な分布型光ファイバセンサの概略構成を示す説明図であ
る。 11……光パルス光源、12……光スイッチ 13a,13b……光ファイバ 14a,14b……方向性結合器 15a,15b……光ファイバ 16……測定用光ファイバケーブル 17a,17b……光ファイバ 18……方向性結合器、19……検出器 20……増幅器、21……AD変換器 22……信号処理記憶装置 23……ディスプレイ、24……方向性結合器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光パルスを発生する光源と、 異なった長さの複数の光ファイバと、 前記光源からの光パルスを前記異なった長さの各々の光
   ファイバに結合させるための光スイッチと、 物理量を測定するために、前記異なった長さの複数の光
   ファイバに接続された測定用光ファイバと、 この測定用光ファイバの後方散乱光を検出器に導くため
   の方向性結合器と、 後方散乱光を電気信号に変換して増幅する検出器と、 この検出器の出力に対して前記複数の光ファイバを通る
   ことにより光パルスに生じるあらかじめ決定されている
   光ファイバの伝送損失を基にした補正演算を行い、前記
   測定用光ファイバの長さ方向各部の被測定物理量分布を
   求める信号処理装置とを備えて成る分布型光ファイバセ
   ンサ。