JPS62110160A - 光学的時間領域反射測定 - Google Patents

光学的時間領域反射測定

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JPS62110160A JP61195129A JP19512986A JPS62110160A JP S62110160 A JPS62110160 A JP S62110160A JP 61195129 A JP61195129 A JP 61195129A JP 19512986 A JP19512986 A JP 19512986A JP S62110160 A JPS62110160 A JP S62110160A
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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】 背　　　慎 本発明は光学的時間領域反射測定（ＯＴＤＲ）に関する
ものであり、さらに特定的にいえば、関心領域全体にわ
たってのびているオプチカルファイバーの各種の部分を
調べるのに光学的時間領域反射測定を使用する装置に関
するものである。感知すべき変数（感知変数）は温度で
あってよいが、その他の変数を類似技法を使って感知す
ることができる。オプチカルファイバー感知器は電気的
感知器においておきるような電気的干渉およびスパーク
の危険から放免されるかなりの利点を提供できる。分布
型オプチカルファイバー感知器は、それらオプチカルフ
ァイバーの全長に沿う多くの別々の点において感知変数
の測定を可能にし、従って、多くの独立的測定を単−装
ばて以て行なうことを可能にするので、特に興味がある
。
オプチカルファイバーの分布型感知は英国特許願ＧＢ　
２１２２３３７において論じられ、またその他の文献（
例えば、第８回のＥｕｒｏｐｅａｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎ
ｃｅｏｎ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｍ１ｌｌｕｎｉｃａｔ
ｉｏｎ、　Ｃａｎｎｅｓ、　　１９８２年。
Ａ、Ｈ，バードッグおよび０．Ｎ、ベイン；および、Ｊ
ｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　ｃｉｇｉ’ｉ”；ａｖｅ　　
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　　Ｖｏｌ　　１丁−１゜４９
８−５０９頁、　１９８３年、＾、１１．バードッグ）
にも示されている。これらの開示においては、オプチカ
ルファイバー通信リンク中の欠陥検出用に既に開発され
ている光学的時間領域反射測定技法を用いるオプチカル
ファイバーによる感知原理が示された。
本質的には、ファイバー中へ一端において進入させそし
てファイバー内の案内によって進入端へ戻される光のパ
ルスの伝播中に散乱された光が、関心領域の変数（例え
ば湿麿）のファイバーに沿う分布に関する情報を含むこ
とができる、ということが示された。
ＧＢ　２１２２３３７Ａは液が詰ったファイバーに主と
して関係しており、その場合、散乱損失係数が温度とと
もに変り、従って戻りの散乱輻射線の強度を局所温度に
従って変化させる。光パルスの進入と散乱光試料の検出
との間の時間経過はその測定点の位置を与える。しかし
、類似の効果は固体において観察することができ散乱損
失の変調からだけでなくまた例えばファイバーの開口数
の変調からも得ることができることが発見された。
もう一つの先行特許（ＧＢ　２１４０５５４八）は０Ｔ
ＤＲを取扱っていて、散乱輻射線のスペクトルの中央部
分をいわゆる光学的ダイクロメーターによって炉別して
関心のある二つのスペクトル領域、すなわち、いわゆる
ラマン・ストークス線とラマン・反ストークス線とによ
って占められる領域のみを残留させるべきであること、
を提案している。局所温度はこれらの二つのスペクトル
領域における後方散乱光のそれぞれの光学的強度を比較
することによって得ることができるといわれている。し
かし、この方法から生ずる最良結果を得るためには、各
種のストークスおよび反ストークス波長におけるファイ
バー減衰の間の差について測定値を補正することが必要
である。
要　　　　約 本発明の一つの側面によると、感知しようとする値を表
わす出力信号をつくり出すのに使用した後方散乱光学的
輻射線をファイバー中の非弾性散乱から生ずる予め選ん
だ単一スペクトル線、あるいは、二つの相互に隣り合う
その種のスペクトル線、へｉｔ、１１限することを特徴
とする、オプチカルファイバーに沿う各種の位置におけ
る物理変数のそれぞれの値を感知する光学的時間領域反
射測定法が提供される。
本発明のもう一つの側面によると、関心領域全体にわた
って展開するよう適合させたオプチカルファイバーと、
そのファイバーに沿う各種の位置における物理的変数の
それぞれの値を感知するよう光学的時間領域反射測定を
採用するための遠隔感知手段とから成り、感知しようと
する値を表わす出力信号をつくり出すよう使用した後方
散乱光学的輻射線をファイバー中の非弾性散乱から生ず
る予め選んだ単一スペクトル線、あるいは二つの相互に
隣り合うその種のスペクトル線、へ制限することを保証
するよう選択および配置された光学的ン濾過手段を特徴
とする、分布型感知装置が提供される。
本発明の一つの実施例は光学的反射測定を使用するファ
イバー光学感知装置を提供し、ある長さのオプチカルフ
ァイバー〈感知用要素）、紫外、可視または赤外の領域
の波長で作動する光学的パルスの源であって、かつその
種のパルスをオプチカルファイバーの少くとも一つの端
の中へ方向指示性結合器を経由して進めるよう配置した
光源、オプチカルファイバーから方向指示性結合器によ
って向けられる後方反射輻射線を検出する検出手段、後
方散乱輻射線の個々のスペクトル成分を分離して単一の
その種の成分だけを検出手段へ到達させる手段、および
、検出手段によってつくり出される信号を測定および分
析して感知しようとする変数に関連する出力信号を生じ
させるようにする手段、から成る。
言過には、ただし必ずというわけでないが、感知しよう
とする変数は温度である。同様に、検出されるスペクト
ル成分は通常は反ストークス・ラマン線の一つである。
実　　施　　例 例示のためにここで付属の図面を参照する。
第１図に描くとおり、光学的輻射線（紫外線、可視線ま
たは赤外線のプローブ・パルスは光源１によって発生し
、適切な送出し用光学系３によって方向指示性結合器４
を経て感知用ファイバー２の一端への中にはじめに進入
する。光源１は便宜的には半導体注入レーザーであるが
、必ずというわけではない。方向指示性結合器４はオプ
チカルファイバーからつくったデバイス、あるいはビー
ムスプリッタ−または前向伝播光と後向伝播光を分離す
る機能を果たす他の何らかの適当な手段であることがで
きる。
感知用媒体として用いるファイバー２の種類は関連する
特定の応用に応じてマルチモード、シングルモードある
いはシングル偏光のタイプのいずれかであることができ
る。
ファイバー２中のプローブ・パルス光のいくらかはファ
イバーの導波管構造によって再捕捉されかつ進入端Ａへ
向けて戻り誘導されるようファイバー軸から開角度で後
ろ方向に散乱する。方向指示性結合３４に到達すると、
この戻りの散乱光は選ばれた反ストークス・ラマン線を
通すがスペクトルの残りは阻止する光学フィルター５へ
向けられる。この濾過用要素は入射輻射線の各種のスペ
クトル成分を選択的に反射、吸収、散乱、変向、偏光あ
るいは分離するいずれかのデバイスの形態をとることが
できる。
フィルター５によって送られる戻り散乱光の部分は光学
的受信器６に到達し、その受信器は便宜的には検出器７
とそれに続いて低ノイズ前置増幅器８、および、恐らく
はその後の増幅と電気的濾過の段から成ることができる
。電気信号が次に処理器９へ送られ、処理器はそれから
ファイバー２に一端へから他端Ｂへ沿った温度分布を示
す波形の代表的読みの一組をつくり出ず。この処理は好
ましくは繰返され、各組の読みから後方散乱波形が平均
され、それら平均値は、この処理器が関係反ストークス
・ラマン線の強度の時間依存性を十分な精度まで測定し
てしまうまで、温度分布を計算するのに使用される。処
理器９はまた本装置の他の要素、例えば光源１又は光学
フィルター５を制御することができる。
このようにして、光源１によって発生する光の各々の単
一パルスについて、処理器９は後方散乱光強度の一連の
測定をきわめて短かい時間間隔で行なわせる。理想的に
は、必要とするすべての時間試料が、感知操作速度を増
しかつ光源によって進入させられるエネルギーの短期間
変動に基づくノイズの導入を避けるために、各々のレー
ザーパルスに従って取得されるべきである。けれども、
後方散乱された信号の時間依存性を取得する他の便利な
方法はどれでも使用できる。
ファイバー２の端Ａの中へパルスを進入させることによ
って得られる結果を平均したのち、この工程を次に繰返
すことが好ましいが、ファイバーの（ｔ！！　端Ｂの中
ヘプローブ・パルスを進入させ、かつその（ｌ！！喘Ｂ
から戻される散乱光を検出する。進入端の変更は第１図
に描くとおり、処理器９の制御下に様械的作動器により
、あるいは第３図に描くとおり、各々のファイバ一端に
おいて測定装置を二重にすることによって、達成してよ
い。あるいはまた、例えば、この機能は機械的ファイバ
ースイッチを使用し、あるいは電気光学的またはき腎光
学的の変向器を使って実施されてよい。
ファイバーの与えられた部分から戻る散乱パワーとその
部分に入るプローブ・パルスのエネルギーとの比は後方
散乱係数とよぶ。戻されるスペクトルの選択された部分
について、上述の感知装着が後方散乱係数に応じて作動
して感知変数の空間的分布を推定すると考えられる。
ファイバーの各端から測定を実施する利点は、ファイバ
ーに沿った温度変動によって引き起こされる信号の変動
をファイバー損失の軸変化によって引き起こされるもの
から分離することが可能になるということである。ファ
イバーの両端から測定され特定位買から戻る後方散乱信
号の幾何平均を計算することによって、伝播損失はすべ
てその効果を除くことができ、被処理信号の長さ依存性
において、後方散乱係数の変化の効果のみ、すなわち、
開口数の変化または関心スペクトル線についての散乱係
数の変化の効果のみ、が残る。開口数の変化は、特別設
詣のファイバーを使用しない限り、通常は大きくはなく
、それらの効果はいかなる場合においても前出特許明Ｉ
ｌｌ書ＧＢ　２１２２３３７Ａに記載のとおりに除去す
ることができる。
第５（ａ）図と第５（ｂ）図は、実質的には上述のとお
りの本発明の具体化によって１廟よりも長いファイバー
に沿って得られた温度分布をそれぞれ示している。この
実際的な例においては、光源１は約１，５Ｗで作動する
ワイドコンタクトのＧａＡＪ　Ａｓ半導体レーザーであ
った。プローブ・パルスは数１１１１の帯域幅をもら、
８５４　ｒｖｎの波長に中心があり、パルス幅は４０ｎ
ｓであり、パルス繰返し率は４　ｋＨｚであった。この
感知装置の総体的空間解像度は約１，５ｍであり、描か
れた結果は各の方向において１０５パルスにわたって平
均することによって得られた。この場合、使用した反ス
トークス・ラマン線は８５４ｎＩＲの入用波長から約３
１順（４４０ｃａ＋−’）だけずらされた。使用光学フ
ィルター５は半ピーク値において約１ＯＮＡの通過帯域
幅をもちかつプローブ・パルス波長の良好な除波（代表
的にはプローブ・パルス波長、８５４／’ｌ＃１１にお
いて０、０１％またはそれ以下の最大透過率）を行なう
干渉フィルターであった。
第７図は、複数個のオプチカルファイバ一端Ａ１．Ｂ１
．Ａ２．Ｂ２．−、Ａ　　、Ｂ、をただ一組の端末設備
（処理器、光源、受信器などンを使って処理できる本発
明の実施例を描いている。
これを達成するには、一つのファイバーから別のファイ
バーへ切替えるための機械的または光学的多重化手段１
４が入ってくる輻射線と複数個のファイバ一端Ａ　　、
Ｂ　　、・・・、Ａ　　、Ｂ　　、との間に１１　　　
　　ｎｎ 設けられる。この多重化手段１４はファイバースイッチ
の形態をとることができ、それは処理器９の制御下でリ
ニアー［−ターによって二つの横方向で可動のファイバ
ーの部分１５から成る。このようなファイバースイッチ
は西独ハンブルクのヨーク・ハンブルグ・センサー社か
ら［Ｈ３−１マルチポジシヨン・オプチカル・ファイバ
ー・スイッチ］の名称で入手できる。このファイバース
イッチへ送られる制御信号ＨＰＸに従い、ファイバ一部
分１５は選択されるファイバ一端と一線に並んで接する
よう移動させることができる。ファイバ一端は反射防止
コートを施し、あるいは屈折率整合液中に浸して反射を
減らしてよい。このようにして、端末設備を多くの別々
の感知用ファイバーの間で共有することが可能であり、
この端末設備はこの種の感知システムの総コストの大き
い部分を示すものと考えられるものである。例えば、次
に感知用ファイバーを二重にすることが考えられるよう
になり、このことは感知用要素の重複による追加の信頼
性を与える。もし処理器がファイバーの破損を検出でき
る場合には、この種の配列は破損時も安全な操作方法を
提供できる。
散乱係数または捕捉分数（ｃａｐｔｕｒｅ　ｆｒａｃｔ
ｉｏｎ）のいずれかの良さ方向の温度非依存性の変数の
ようなファイバー中の本来的にある欠陥の１１もまた、
既知温度分布で以てファイバーを設置前に校正すること
によって除くことができる。感、知器は次に校正時に測
定したものとの後方散乱係数のずれを測定する。これら
のずれは処理器により、後方散乱係数の表にされた温度
による変動（関心スペクトル線について〉に関して、あ
るいは光源と選択したスペクトル線との間の周波数のず
れを経て絶対温度を強度へ関係づける理論モデルに関し
て、解釈される。ファイバーに沿った与えられた位置に
ついての校正関数が第４図に示されており、その中にお
いては、反ストークス線について測定した後方散乱パワ
ーは、上述［説の実際例において使用する條件について
代表的に１００ｐＷであるときに、室温（２９７Ｋ）に
おいて１へ規準化されている。
空間解像度、すなわち、温度変化の最大撮幅の１０％と
９０％とに相当する点の間で測定するときに、急な（階
段状の）温度変化がひろがると見えるファイバーの長さ
、は進入するパルスの幅と用いる処理回路の帯域幅との
両方によって制限される。
さらに、この処理回路は受信器によって発生される電気
信号を、ファイバー中の関心の隣接点に相当して、十分
に接近した時間間隔で試料採取することができねばなら
ない。ファイバーから独立の読みを得るために、少くと
も二つの空間解像度に相当する距離は関心の隣接点の間
で与えられねばならない。システムの有効な空間解像度
はファイバーのコイルを巻いて関心の多くの個別の点を
看視することによって改善できる。すなわち、ファイバ
ーのある部分を空間解像度のおおよそ２倍またはそれよ
り大きい長さをもつコイルを形成するよう巻く場合には
、その部分は、ファイバーの隣接部分における感知変数
値と独立である位置において感知変数の明白な測定値を
提供する。
この散乱過程は各種の現象を含んでおり、それらはすべ
て屈折率の局所的変動と関係しており、それに関する術
語は多年にわたって変化してきた。
明瞭化のために、レイリー散乱は本発明においては、プ
ローブ・パルスと同じ波長でありかつ入射光の波長と比
べて小さい長さの尺度での屈折率の変動によって引き起
こされる散乱スペクトルのスペクトル線のことをいう。
対照的に、散乱光のブリユアンおよびラマンスペクトル
線はプローブ波長に関してずらされ、これらの線は非弾
性散乱過程から生ずる。ブリユアン線は光波と、音響的
波長がプローブ・パルスの光学的波長と類似である音波
との衝突の際に発生する。二つの後方散乱したブリユア
ン線がオブ、ｆカルファイバー中で通常観察され、これ
らは代表的にはプローブ波長に関してほぼ２７ＧＨｚだ
けずらされる（６３３Ｍの波長のプローブ・パルスにつ
いてシリカ中で）。これらの線のうちの一つ（反ストー
クス・ブリユアン線）はこの衝突過程においてエネルギ
ーを取得し従って波長がより短かい散乱光を含む。第二
のブリユアン線（ストークス線）は等しい周波数のずれ
によってより長波長へずらされる。
対照的に、ラマン散乱線はプローブ波長に関してはるか
に大きい周波数のずれだけずらされ、それらのずれはフ
ァイバー物質中に存在する各種分子振動の特徴である。
これらの線は比較的単純な光学的配置を使ってスペクト
ルの残りのものから分離できる。実際には、ラマン散乱
線は一般的にブロードである。例えば、５１０２の反ス
トークス・ラマン線は、そのピークは入射輻射線に関し
て約４４０ｃＩＲだけずらされるが、約２００ｃｍ−１
から５２０１−１にわたってひろがるブロード帯域の一
部である。そのような場合には、使用するラマン線の有
効な位置と幅は、ラマンスペクトル自体よりも感知用配
置において用いられるフィルターの特徴によってより多
く決定される。
第２図は後方散乱光中に存在する各種スペクトル線を描
くものである。固体中の非弾性的散乱光の強度が通常は
弾性的散乱光よりも温度に対して敏感であることが発見
されており、事実、ＧＢ　２１２２３３７Ａの従来法の
配置における感度への実質的寄与は非弾性的散乱成分に
基づいていたと思ねれる。
反ストークス線のようなただ一つの非弾性的散乱線を選
択使用することは、従来法の配置（この場合には反スト
ークス線とストークス線の強度間の比較が用いられる）
よりも、感知しようとする異なる波長間のいかなる減衰
差に対しても測定がもはや敏感でないという利点をもっ
ている。反ストークスおよびストークスの強度比の測定
に基づくシステムと比較して、そのデバイスの温度に対
する感度において有用な利得がまた存在する。
何故ならば、その種の線のそれぞれの強度は温度の関数
として、同じ意味で変動することが見出されているから
である。その上、光源の放出波長におけるドリフトに対
するデバイスの奇生感度（これは測定誤差の重大原因を
提供し得る）はこの方式で、ストークスＰｉＡＪ３よび
反ストークス線の両名の場合と比較して減らすことがで
きる。さらに、ただ一つの濾過波長のみを必要とするだ
けであるので、そのｉ濾過は単純な光学的帯域フィルタ
ーの形を取ってもよく、それは従来用いられたグレーテ
ィング・ダイクロメーター（（ｌｒａｊ！ｎ（１ｄｉｃ
ｈｒｏｌｌｌｅｔｅｒ）よりも単純でかつ丈夫な配列を
提供するものである。
光源のエネルギーと波長における起こり得る長時間変化
を検出し補正するためには、これらの両者を直接または
間接に看視することが望ましい。
第３図に描くとおり、一つの可能性はファイバーの一つ
または一つより多くの短かい基準部分（１１△、１ｉＢ
）を組入れこれらを温度調節した室１２の中で一定で既
知の温度に保つことである。
フィルター５Ａと５Ｂを用いるこの基準部分の看視は感
知デバイスの処理器９に準連続的方式で校正を検査させ
、従って、例えば光源の波長変化（これはその感知シス
テムの校正を変える）を検出および補正することを保証
する。このｉ５準ファイバーは感知用ファイバーと直列
に置く必要はなく、基準ファイバーが例えば測定位置の
中へ切替えられる並列形態も考えられる。
光源波長もまた、例えば走査スペクトロメーターの配列
によって、直接看視することができる。
第３図から、フィルター５八と５Ｂの取外しくあるいは
光学的減衰器による買換え）の用意がこの配列中でなさ
れていて、この検出用デバイスが感知する全波長におけ
る後方散乱合計信号の測定を可能とするようにしている
ことが見られる。基準部分中の後方散乱信号合計の測定
（すなわち、濾過を行なわない）はレーザーによって進
入させたエネルギーに比例する信号を与え、それがその
後の正規化を与える。事実、ファイバー全体にわたって
測定した合計の後方散乱信号はこの正規化過程において
使用できてファイバーに沿った直径変化および物質組成
変動のような影響について補正することができる。後方
散乱信号合計の６視は別にまた散乱信号のサンプルが濾
過を行なわずに向けられる追加の検出用配列によって実
施することができ、そのようなサンプルは例えばビーム
スプリッタ−配列からかあるいはフィルターからの反射
から誘導される。
これまでに述べた配列は、処理器によってつくられる読
みの各組について単一パルスだけを提供した。ある環境
においては（特に極度に高い空間解像度が必要とされる
場合には）、幅または間隔または振幅を変えた、あるい
はある方式でコード化された一系列のパルスを進入させ
ることが有利であるかもしれない。検出後に、パルスの
コード化または変調の知識を使って散乱戻りの時間変動
の詳細を検索する。その限度内で、パルス化光源を使用
しないで、既知の方式で周波数が変えられる連続波動信
号で以て光源の強度を変調することも可能である。例え
ば、光源が半導体レーザーダイオードである場合、その
強度は光源中を通る駆動電流を変えることによって変調
させることができる。これらの試みは、レーザー分野お
よび／またはオプチカルファイバーのリンク中の障害点
発見の分野において用いられる技法（Ｉ！２似ラシラン
ダムコーディングルス圧縮］−ディング、光学的周波数
領域反射測定あるいはＦＭＣ１４，としているいろに知
られている）と類似であると見做される。
それらは単一パルス時間領域法と等価であるが、ある場
合には受信器出力における信号対ノイズ比の改善に通じ
、従って測定精度または測定時間の改善に通じ得る。
ファイバーの両端の中へそれぞれ進入させたパルスで以
て測定することの望ましさに関し、ある状況下では、二
つのファイバ一端が同じ位置に置かれることは不便であ
る。この問題は、各端からの測定を実施するのに十分な
設備の一部を二重にしその設備の各部をある形態の通信
チャンネルによって連結し、各端から得られる情報を組
合せ得るようにすることによって解決できる。
あるいはまた、単一ファイバー６８　Ａのみを使用し、
他端Ｂを第６図の１３で線図的に描くとおり、高度反射
性にする。この配置においては、はじめに受信される信
号は反射体を置かないで測定された信号と同等である。
ファイバー中の周遊に等しい時間後においてはしかし、
第二の後方散乱波形が観察され、それの時間依存性は、
あたかもそのファイバーの反射性喘Ｂから直接に測定さ
れたかの如く、実質的に同じである。
端Ｂにおけるその種の反射の結果として、その光学的信
号はそのファイバー中で追加的距離を移動し、従ってよ
り重度に減衰される。この設備は従って測定が両ファイ
バ一端で直接的に行なわれる場合よりも良好なダイナミ
ックレンジをもつことが要求される。ファイバー中へ進
入させるパワーと受信器感度を改善することができない
と仮定すると、追加の信号平均化が要求され、それは感
知器出力を更新できる速度を落とす。しかし、各端から
測定される波形の組合わせは、遠隔端信号の寄与が、戻
り信号から後方散乱係数を誘導するのに使用される局部
減衰の値に対し小さくてゆっくり変化する補正を行なう
ことであるにすぎないような方式で行なうことができる
。進入端測定値からよりも多くの遠隔端からの測定値を
平均し、更新速度を実質的に落とさないことが可能であ
るべきである。換言すれば、二つの端からの情報を、遠
隔端測定について要求される正確さが（ここでは−次の
）近端測定の正確さと比べ低いような方式で処理するこ
とが可能である。
類似の処理はまた第１図と第３図の配置のような非反射
型配置において有利に使用できる。
もう一つの可能性は、二つのファイバーが同じジャケッ
ト内でかつ近接した熱的接触状態で互に並んでケーブル
化され、その遠隔端において一緒に継ぎ合わされる（す
なわち端対端の融＠）ことである。一本のファイバーの
両端から効果的に測定を行なうその種の方法は、実際に
おけるその種の感知用ファイバーの配備に関して存在す
る制約を克服するのに役立つ。
与えられた反ストークス・ラマン線における強度は周波
数のずれの増加とともに減少し、一方、感度対温度（す
なわち、絶対温度へ正規化した温度に関する強度の導関
数）は増加する。従って、感知デバイスの操作のために
、関心温度範囲について特に適切である反ストークス・
ラマン線を選ぶことが可能でありかつ有利である。例え
ば、高シリカ・ガラスでつくったファイバーにおいては
、反ストークス線の一つは入射輻射線に関してほぼ４４
０α−１だけずらされ、この線は３００に近辺の広″い
範囲の温度において特に有用である。きわめて高い温度
においては、感度を増すためにはより大きいずれをもつ
反ストークス線を選ぶ方がよい。
そのような線がファイバーラマンスペクトル中で自然に
存在しない場合には、特別の添加剤を組入れてよい。例
えば、シリカへのＰ２Ｏ５またはＢ２Ｏ３の添加はうマ
ンのずれが増したスペクトル線を生ずる。対照的に、極
度の低温においては、各ラマン反ストークス線の強度は
急速に落ち、周波数ずれがより小さい線の選択が極低温
操作にとって右利である。
選ばれろうマン線の強度を増すようファイバー組成を変
えることもまた可能である。例えば、ＧｅＯ２は、大き
いラマン断面とシリカについての波長ときわめて近接し
た波長の反ストークス・ラマン線をもつが、ファイバー
の組成中に組込んでよい。しかし、あまり多すぎるａｅ
ｏ２ｍの添加は許容できない損失をもたらす。
ファイバー、特にマルチモードファイバーとして知られ
るタイプのファイバーの基本構造に関しては、コア直径
の増加はより大きい入力の使用を可能にすることができ
る。また、ファイバーによって再捕捉される散乱光の割
合を増すよう、ファイバーはより大きい開口数をもつよ
う設計してもよいが、しかしこのことはまた、開口数の
増加がそのファイバーの有効な光学的帯域幅の減少と関
連する傾向があるという事実に対して均衡をとらねばな
らない。
ブリユアン散乱信号はまた感温的である。この場合、周
波数と強度はともに温度とともに変り、どちらかまたは
両方ともに本発明を具体化する分布型感知器の基礎を形
成するのに使用できる。室温においては、反ストークス
およびストークス・ブリユアン線は強度にＪ３いてほと
んど等しく、かつほとんど同じ情報を含む、従って、こ
の二つの線は一緒に加えて温度に関する情報を提供し、
それによって信号対ノイズ比をわずかに改善することが
できる。
ブリユアン散乱光は極低温において特に有用であり、何
故ならば、ブリユアン強度はこの領域の温度とともによ
り一致して変るからであり、そして、入手できる信号は
この領域においてラマン信号よりも高く、従って処理器
により良好な信号対ノイズ比を与えることができる。
このような目的に対する適当な光学的フィルターはファ
ブリーペロットのエタロンあるいはファイバーリング干
渉計であることができる。ブリユアン散乱光から有用情
報を得るためには、特に狭い線幅（好ましくは５ＧＩｌ
ｚ　１１Ｎより小さい）と安定な操作周波数とをもつ光
源を使用することが必要である。例えば、適当な外部変
調をもつヘリウム−ネオンレーザ−あるいは狭い線幅の
半導体レーザーを使用することができる。
本発明の実施例は最も普通には後方散乱光スペクトルの
単一のラマンまたはブリユアン線（ストークスか反スト
ークスかのいずれか）から成る光に基づいて作動するけ
れども、ある場合には、本発明の実施例における測定の
基礎を相互に密接に隣り合う二つのその種のスペクトル
線に置くことが可能でありかつ有利であるかもしれない
。しかし、一般的には、最良の結果は反ストークス・ラ
マン線で得られるはずである。この線で以て１１？られ
る温度感知性は１００Ｋにおけるストークス・ラマン線
についてよりも代表的には約６５０倍大きく、室温にお
いて１０倍大きく、６００Ｋにおいてなおも約３倍大き
い。
潜在的に、ブリユアン線の使用がラマン線よりもはるか
に良好な信号対ノイズ比とより広い温度範囲を提供する
けれども、現在利用できる狭い線幅のレーザーの技術は
ブリユアン線の使用を制限する。何故ならば、これらの
線は一般的にはプローブ・パルスと波長において不都合
にも近接しているからである。
本発明の実施例は、電力変圧器およびケーブル中、液体
窒素中、油パイプライン沿い、およびビルディング全体
（例えば火災報知システムまたは空調システム）、にお
ける温度分布の看視にかなりの利点で以て使用できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明を実施する分布型温度感知装置の配置を
描く模型的絵図であり、 第２図は後方散乱輻射線の代表的スペクトル分布を示す
グラフであり、 第３図は本発明を実施する第二の温度感知装置を模型的
に描いており、 第４図は温度の関数としての測定したパワーの変動を示
すグラフであり、 第５（ａ）図と第５（ｂ）図はそれぞれの温度分布を描
くグラフであり、 第６図は本発明を実施する第三の装置を模型的に示して
おり、 第７図は本発明を実施する第四の装置を模型的に示して
いる。 （符号説明） １・・・光　源 ２・・・オプチカルファイバー ３・・・送出し用光学系　　４・・・方向指示性結合器
５・・・光学フィルター　　６・・・光学的受信器７・
・・検出器　　　　　　８・・・前置増幅器９・・・信
号取得および処理 距亀１（ｍ） 第５（Ｑ）１２１ ｉ巨缶讐どｍ） 品、９ｂ）図

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）オプチカルファイバー（２）に沿った異なる位置
    における物理的変数のそれぞれの値を感知する光学的時
    間領域反射測定方法であって、感知しようとする値を示
    す出力信号をつくり出すのに用いた後方散乱光学的輻射
    線を、ファイバー中の非弾性散乱から生ずる予め選んだ
    単一スペクトル線、あるいは二つの相互に隣接するその
    種のスペクトル線へ制限する、ことを特徴とする方法。
  2. （２）上記ファイバー（２）と直列あるいは並列に配置
    したオプチカルファイバーの基準部分（１１Ａ、１１Ｂ
    ）に上記変数の既知一定数を当てて、ファイバー中へ進
    入する輻射線の源（１）の出力変化を看視できるように
    する、特許請求の範囲第１項に記載の方法。
  3. （３）予め選んだ単一スペクトル線へ制限した後方散乱
    輻射線を使って第一出力信号を得たのち、第二出力信号
    を制限されていない後方散乱輻射線を使って取得し、そ
    して上記の第一および第二の出力信号を正規化された出
    力信号の最終組をつくり出すのに次に使用する、特許請
    求の範囲第１項または第２項に記載の方法。
  4. （４）関心領域全体にわたって配備するよう適合させた
    オプチカルファイバー（２）と、光学的時間領域反射測
    定を使ってファイバーに沿った異なる地点における物理
    的変数のそれぞれの値を感知する遠隔感知手段（６、９
    ）とから成り、感知される値を表わす出力信号をつくり
    出すのに使用する後方散乱光学的輻射線がファイバー中
    の非弾性散乱から生ずる予め選んだ単一スペクトル線、
    あるいは、二つの相互に隣り合うその種の線、へ制限さ
    れることを保証するよう選択および配置された光学的ろ
    過手段（５）を特徴とする、分布型感知装置。
  5. （５）上記の予め選んだスペクトル線またはそれの各々
    が上記ファイバー（２）の反ストークス・ラマン散乱か
    ら生ずる、特許請求の範囲第４項に記載の装置。
  6. （６）上記の予め選んだスペクトル線またはそれの各々
    が上記ファイバー（２）中のブリュアン散乱から生ずる
    、特許請求の範囲第４項に記載の装置。
  7. （７）上記変数が温度である、特許請求の範囲第４、５
    、または６項に記載の装置。
  8. （８）ファイバー（２）が自らの上に折返されて、その
    二つの反対端（Ａ、Ｂ）が相互に隣り合うようかつその
    二つの反対端において輻射線を交互に進入させるよう制
    御された光源（１）に面するように配置されており、そ
    して、装置の処理手段（９）が、ファイバーの中へその
    一端から進入する輻射線の後方散乱から生ずる出力信号
    をファイバーのもう一方の端からファイバー中へ進入す
    る輻射線の後方散乱から生ずる出力信号と組合わせて調
    節された出力信号の最終組をつくり出すようにした手段
    である、特許請求の範囲第４項から第７項のいずれかに
    記載の装置。
  9. （９）ファイバー（２）の一端（１３）が反射性であり
    、装置の処理手段（９）がファイバーの上記反射性端（
    １３）へ向って伝わる輻射線の後方散乱から生ずる一次
    出力信号を上記反射性端での反射後の輻射線の散乱から
    生ずる二次出力信号と組合わせて調節された出力信号の
    最終組をつくり出すようにした手段である、特許請求の
    範囲第４項から第７項のいずれかに記載の装置。
  10. （１０）光学的輻射線のそれぞれの光源（１）がファイ
    バー（２）の二つの反対端（Ａ、Ｂ）において提供され
    、これらの光源がその二つの反対端において交互にファ
    イバー中に輻射線を進入させるよう制御され、そして、
    装置の処理手段（９）がファイバー中へその一端におい
    て進入する輻射線の後方散乱から生ずる出力信号をファ
    イバー中へその他端において進入する輻射線の後方散乱
    から生ずる出力信号と組合わせるようにした手段である
    、特許請求の範囲第４項から第７項のいずれかに記載の
    装置。
  11. （１１）上記のオプチカルファイバー（２）が、相互に
    隣り合って配列されたそれぞれの入力端をもつその種の
    オプチカルファイバーの複数個の一つであり、そして、
    選択手段（１４）が、上記の遠隔感知手段（６、９）が
    異なるファイバーに関して異なる時間において作動する
    ことを可能にするよう提供されている、特許請求の範囲
    第４項から第１０項のいずれかに記載の装置。
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