(57)【要約】【課題】ラマンシフト波数の分布を考慮した高精度の温度測定を行うことができる温度測定装置を提供する。【解決手段】温度測定装置１は、光ファイバ１３にレーザ光ＰＬを入射させて得られるラマン散乱光（ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａ）を受光して光電変換信号を出力する光電変換回路２１ａ，２１ｂと、ラマン散乱光のラマンシフト波数の分布を考慮した補正テーブルを記憶するメモリ２６と、ラマン散乱光がラマンシフト波数の分布を有さないものとして光電変換回路２１ａ，２１ｂから出力される光電変換信号を用いて光ファイバ１３の温度を求めるための所定の演算を行い、この所定の演算によって得られる演算結果をメモリ２６に記憶された補正テーブルを用いて補正する演算処理部２５とを備える。【選択図】図１
2010223831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象にレーザ光を入射させて得られるラマン散乱光を用いて前記被測定対象の温度を測定する温度測定装置において、
前記ラマン散乱光を受光して受光信号を出力する受光部と、
前記ラマン散乱光のラマンシフト波数の分布を考慮した補正テーブルを記憶する記憶部と、
前記ラマン散乱光が前記ラマンシフト波数の分布を有さないものとして前記受光部から出力される受光信号を用いて前記被測定対象の温度を求めるための所定の演算を行い、当該所定の演算によって得られる演算結果を前記記憶部に記憶された前記補正テーブルを用いて補正する演算処理部と
を備えることを特徴とする温度測定装置。
【請求項２】
前記補正テーブルは、前記ラマン散乱光に含まれるストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮して求められた温度毎の前記ストークス光と前記反ストークス光との強度比を示すテーブルであり、
前記演算処理部は、前記所定の演算として前記ストークス光と前記反ストークス光との強度比を求める演算を行い、当該演算により得られた強度比から求められる温度を前記補正テーブルを用いて補正する
ことを特徴とする請求項１記載の温度測定装置。
【請求項３】
前記補正テーブルは、前記ラマン散乱光に含まれるストークス光及び反ストークス光が前記ラマンシフト波数の分布を有さないものとした場合に求められる温度と、前記ストークス光及び前記反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮した場合に求められる温度との差分を温度毎に示すテーブルであり、
前記演算処理部は、前記所定の演算として前記ストークス光と前記反ストークス光との強度比から前記被測定対象の温度を求める演算を行い、当該演算により得られた温度を前記補正テーブルを用いて補正する
ことを特徴とする請求項１記載の温度測定装置。
【請求項４】
前記演算処理部は、前記記憶部に記憶される前記補正テーブルを、前記ラマン散乱光のラマンシフト波数の分布を示すデータを用いて作成することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の温度測定装置。
【請求項５】
前記ラマン散乱光に含まれるストークス光の所定の成分及び反ストークス光の所定の成分をそれぞれ個別に通過させるフィルタ部を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の温度測定装置。
【請求項６】
前記被測定対象は光ファイバであり、
前記受光部は、前記光ファイバにパルス状のレーザ光を入射させて得られる前記ラマン散乱光に含まれるストークス光及び反ストークス光を個別に受光し、
前記演算処理部は、前記受光部から順次出力される受光信号を用いて前記所定の演算を順次行うことにより、前記光ファイバの長さ方向における温度分布を求める
ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定対象にレーザ光を入射させて得られるラマン散乱光を用いて被測定対象の温度を測定する温度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ラマン散乱光を用いて温度を測定する温度測定装置の研究開発が盛んに行われている。この温度測定装置の１つに、光ファイバ内で生ずるラマン散乱光（ストークス光及び反ストークス光）を検出して光ファイバの長さ方向における温度分布を測定するＲ−ＯＴＤＲ（Raman Optical Time Domain Reflectmetry）がある。具体的に、この温度測定装置は、光ファイバに入射させるパルス状のレーザ光を射出する光源部と、光ファイバにレーザ光を入射させて得られる後方散乱光に含まれるストークス光と反ストークス光とを個別に受光する受光部と、受光部から出力される受光信号を用いて光ファイバの長さ方向における温度分布を求める演算処理部とを備える。
【０００３】
ここで、光ファイバから射出されるストークス光及び反ストークス光は、その強度比が温度に比例して変化する。このため、演算処理部は、レーザ光を光ファイバに入射させた後のある時点で得られるストークス光の受光信号と反ストークス光の受光信号との強度比を求めることにより、光ファイバの長さ方向におけるある点の温度を測定している。また、レーザ光を光ファイバに入射させた時点以降のストークス光の受光信号と反ストークス光の受光信号との強度比の時間変化を求めることで、光ファイバの長さ方向における温度分布を測定している。
【０００４】
光ファイバの長さ方向におけるある点の温度の具体的な求め方は以下の通りである。レーザ光を光ファイバに入射させた後のある時点で得られる反ストークス光の強度Ａｓ及びストークス光の強度Ｓｔは、以下の（１）式で表される。
【数１】
2010223831.tif 000003
【０００５】
上記（１）式中におけるＡ０，Ｓ０は温度測定装置の性能及び光ファイバの特性に依存する固有の定数であり、ν０は光源部から射出されるレーザ光（光ファイバに入射するレーザ光）の波数であり、ν１は光ファイバに入射するレーザ光の波数とストークス光又は反ストークス光の波数との差であるラマンシフト波数である。また、ｈはプランク定数であり、ｃは光速であり、ｋはボルツマン定数であって、Ｔは温度（絶対温度）である。上記（１）式を参照すると、反ストークス光の強度Ａｓ及びストークス光の強度Ｓｔは何れも温度Ｔの関数で表されるのが分かる。
【０００６】
ストークス光の波長をλｓ、反ストークス光の波長をλａとし、Ａ０＝Ｓ０とすると、反ストークス光とストークス光との強度比Ｒ（Ｔ）＝Ａｓ／Ｓｔは以下の（２）式で表される。
【数２】
2010223831.tif 000004
【０００７】
ここで、既知の温度Ｔｒにおける反ストークス光とストークス光との強度比をＲ（Ｔｒ）とすると、以下の（３）式を用いて温度Ｔを求めることができる。
【数３】
2010223831.tif 000005
【０００８】
つまり、光ファイバの既知の温度Ｔｒにおける反ストークス光とストークス光との強度比を予め求めておき、その光ファイバの未知の温度における反ストークス光とストークス光とを測定して強度比を求めれば、上記（３）式から未知の温度を求めることができる。尚、ラマンシフト波数ν１は光ファイバ固有の定数であり、他の手段によって予め測定しておく。レーザ光を光ファイバに入射させてからストークス光と反ストークス光との強度比を順次求めて上記（３）式に順次代入すれば、光ファイバの長さ方向における温度分布を測定することができる。尚、従来の温度測定装置の詳細については、例えば以下の特許文献１，２及び非特許文献１を参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−２６９４０号公報
【特許文献２】英国特許出願公開第２１４０５５４号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】ジェイ・ピー・ダイキン、他３名（J. P. Dakin et al.），「ディストリビューティド・アンチストークス・レシオ・サーモメトリー（Distributed antistokes ratio thermometry）」，カンファレンスペーパー（Conference Paper），オプティカル・ファイバー・センサーズ（Optical Fiber Sensors），サンディエゴ・カリフォルニア（San Diego, CA），１９８５年１月１日，ｐ．ＰＤＳ３−１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、従来の温度測定装置では、前述した（１）〜（３）式中におけるラマンシフト波数ν１を定数として取り扱っている。しかしながら、光ファイバ内で実際に生ずるストークス光及び反ストークス光の波数はある広がりを有しており、ラマンシフト波数も定数（線スペクトル）ではなくある分布を有している。このため、ラマンシフト波数を定数として取り扱う従来の温度測定装置では測定される温度に誤差が生ずるという問題があった。
【００１２】
ここで、前述した（２）式を変形すると、以下の（４）式で表される。
【数４】
2010223831.tif 000006
上記（４）式に示される通り、ラマンシフト波数ν１は指数関数の指数内に現れるばかりではなく、４乗項の分母及び分子に現れる。このため、ラマンシフト波数ν１の分布によって反ストークス光とストークス光との強度比Ｒ（Ｔ）は大きく影響され、この結果として測定温度に誤差が生ずることが容易に分かる。
【００１３】
図８は、光ファイバ内で実際に生ずるストークス光の波数分布を示す図の一例である。尚、図８においては、横軸に波数をとり、縦軸に相対強度をとっている。尚、図８中の波数ν１００は光ファイバに入射するレーザ光の波数である。図８に示す通り、光ファイバ内で実際に生ずるストークス光は、波数ν１０１〜ν１０２の範囲で図示の通りの分布を有する。ラマンシフト波数はストークス光の波数ν１０１〜ν１０２とレーザ光の波数ν１００との差であるため、その分布は図８に示すストークス光の分布に応じた分布となる。尚、図８に示す例では、波数が４４，０００［１／ｍ］のときにストークス光の強度がピークになり、ストークス光の分布の半値全幅は２６，０００［１／ｍ］である。
【００１４】
図９は、従来の温度測定装置における温度測定誤差の一例を示す図である。尚、図８においては、横軸に温度をとり、縦軸に温度測定誤差をとっている。図９において、符号Ｄ１０１を付した曲線は、前述した（１）〜（３）式中のラマンシフト波数ν１に図８中のラマンシフト波数ν２０１を設定した場合の温度測定誤誤差を示すグラフであり、符号Ｄ１０２を付した曲線はラマンシフト波数ν１に図８中のラマンシフト波数ν２０２を設定した場合の温度測定誤誤差を示すグラフである。
【００１５】
図９を参照すると、光ファイバの温度が前述した（３）式中の既知の温度Ｔｒである場合には、グラフＤ１０１とグラフＤ１０２とが交差する。しかしながら、既知の温度Ｔｒから外れた温度においては、温度測定誤差がグラフＤ１０１とグラフＤ１０２とで異なる（ラマンシフト波数ν１の値によって異なる）ことが分かる。例えば、既知の温度Ｔｒが３００［Ｋ］である場合に、光ファイバの実際の温度が３５０［Ｋ］であるとすると、約３［Ｋ］の測定誤差が生ずる。
【００１６】
従来は、温度測定装置の性能がさほど高くなく、要求される測定精度もさほど高くなかったため、以上の測定誤差は許容される範囲であった。しかしながら、近年においては温度測定装置の性能が飛躍的に向上してストークス光及び反ストークス光を精度良く測定することができるようになったため、以上のラマンシフト波数の分布に起因する温度誤差が無視できなくなってきた。
【００１７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ラマンシフト波数の分布を考慮した高精度の温度測定を行うことができる温度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明の温度測定装置は、被測定対象（１３）にレーザ光（ＰＬ）を入射させて得られるラマン散乱光（Ｐａ、Ｐｓ）を用いて前記被測定対象の温度を測定する温度測定装置（１）において、前記ラマン散乱光を受光して受光信号を出力する受光部（２１ａ、２１ｂ）と、前記ラマン散乱光のラマンシフト波数の分布を考慮した補正テーブルを記憶する記憶部（２６）と、前記ラマン散乱光が前記ラマンシフト波数の分布を有さないものとして前記受光部から出力される受光信号を用いて前記被測定対象の温度を求めるための所定の演算を行い、当該所定の演算によって得られる演算結果を前記記憶部に記憶された前記補正テーブルを用いて補正する演算処理部（２５）とを備える。
この発明によると、被測定対象にレーザ光を入射させて得られるラマン散乱光が受光部で受光され、受光部から出力される受光信号を用いて被測定対象の温度を求めるための所定の演算が行われ、この所定の演算によって得られる演算結果が記憶部に記憶されたラマン散乱光のラマンシフト波数の分布を考慮した補正テーブルを用いて補正される。
また、本発明の温度測定装置は、前記補正テーブルが、前記ラマン散乱光に含まれるストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮して求められた温度毎の前記ストークス光と前記反ストークス光との強度比を示すテーブルであり、前記演算処理部は、前記所定の演算として前記ストークス光と前記反ストークス光との強度比を求める演算を行い、当該演算により得られた強度比から求められる温度を前記補正テーブルを用いて補正することを特徴としている。
或いは、本発明の温度測定装置は、前記補正テーブルが、前記ラマン散乱光に含まれるストークス光及び反ストークス光が前記ラマンシフト波数の分布を有さないものとした場合に求められる温度と、前記ストークス光及び前記反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮した場合に求められる温度との差分を温度毎に示すテーブルであり、前記演算処理部は、前記所定の演算として前記ストークス光と前記反ストークス光との強度比から前記被測定対象の温度を求める演算を行い、当該演算により得られた温度を前記補正テーブルを用いて補正することを特徴としている。
また、本発明の温度測定装置は、前記演算処理部が、前記記憶部に記憶される前記補正テーブルを、前記ラマン散乱光のラマンシフト波数の分布を示すデータを用いて作成することを特徴としている。
また、本発明の温度測定装置は、前記ラマン散乱光に含まれるストークス光の所定の成分及び反ストークス光の所定の成分をそれぞれ個別に通過させるフィルタ部を備えることを特徴としている。
また、本発明の温度測定装置は、前記被測定対象が光ファイバであり、前記受光部は、前記光ファイバにパルス状のレーザ光を入射させて得られる前記ラマン散乱光に含まれるストークス光及び反ストークス光を個別に受光し、前記演算処理部は、前記受光部から順次出力される受光信号を用いて前記所定の演算を順次行うことにより、前記光ファイバの長さ方向における温度分布を求めることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、被測定対象にレーザ光を入射させて得られるラマン散乱光を受光部で受光し、受光部から出力される受光信号を用いて被測定対象の温度を求めるための所定の演算を行い、この所定の演算によって得られる演算結果を記憶部に記憶されたラマン散乱光のラマンシフト波数の分布を考慮した補正テーブルを用いて補正しているため、ラマンシフト波数の分布を考慮した高精度の温度測定を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態による温度測定装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態による温度測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】光ファイバ１３内で生ずるストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を示す分布データの一例を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態における初期化ステップＳ１で作成される補正テーブルの一例を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態による温度測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態における初期化ステップＳ３で作成される補正テーブルの一例を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態による温度測定装置が備える光フィルタの透過特性の一例を示す図である。
【図８】光ファイバ内で実際に生ずるストークス光の波数分布を示す図の一例である。
【図９】従来の温度測定装置における温度測定誤差の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態による温度測定装置について詳細に説明する。
【００２２】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による温度測定装置の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の温度測定装置１は、パルス光源回路１１、フィルタ部１２、光ファイバ１３（被測定対象）、処理部１４、タイミング発生回路１５、及び表示操作装置１６を備える。この温度測定装置１は、所謂Ｒ−ＯＴＤＲ（Raman Optical Time Domain Reflectmetry）といわれるものであり、光ファイバ１３内で生ずるラマン散乱光（ストークス光及び反ストークス光）を検出して光ファイバ１３の長さ方向における温度分布を測定する。
【００２３】
パルス光源回路１１は、例えば半導体レーザ等の光源を備えており、タイミング発生回路１５で規定されるタイミングでパルス状のレーザ光ＰＬを射出する。尚、以下の説明では、パルス光源回路１１から射出されるレーザ光ＰＬの波数をν０とする。フィルタ部１２は、方向性結合器１２ａと光フィルタ１２ｂとを備える。方向性結合器１２ａは、パルス光源回路１１から射出されたレーザ光ＰＬが光ファイバ１３に導かれ、且つ、光ファイバ１３で生じた後方散乱光ＰＢが光フィルタ１２に導かれるよう、パルス光源回路１１、光ファイバ１３、及び光フィルタ１２ｂを光学的に結合する。
【００２４】
光フィルタ１２ｂは、方向性結合器１２ａからの後方散乱光ＰＢに含まれるラマン散乱光（ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａ）を抽出するとともに、ストークス光Ｐｓと反ストークス光Ｐａとを分離して出力するフィルタである。尚、光ファイバ１３で生ずるラマンシフト波数をν１とすると、ストークス光Ｐｓの波数はν０−ν１で表され、反ストークス光Ｐａの波数はν０＋ν１で表される。光ファイバ１３は、例えば数ｋｍ〜数十ｋｍ程度の長さを有する石英系マルチモード光ファイバを用いることができる。尚、シングルモード光ファイバを用いてもよい。
【００２５】
処理部１４は、光電変換回路２１ａ，２１ｂ（受光部）、増幅回路２２ａ，２２ｂ、Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂ、平均化処理回路２４ａ，２４ｂ、演算処理回路２５（演算処理部）、及びメモリ２６（記憶部）を備える。光電変換回路２１ａ，２１ｂは、例えばアバランシェ・フォトダイオード等の受光素子を備えており、フィルタ部１２の光フィルタ１２ｂから出力されるストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａを受光して光電変換信号（受光信号）をそれぞれ出力する。増幅回路２２ａ，２２ｂは光電変換回路２１ａ，２１ｂから出力される光電変換信号をそれぞれ所定の増幅率で増幅する。
【００２６】
Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂは、増幅回路２２ａ，２２ｂで増幅された光電変換信号をタイミング発生回路１５で規定されるタイミングでサンプリングし、ディジタル化されたサンプルデータを出力する。ここで、図１に示す通り、タイミング発生回路１５から出力されるタイミング信号ＴＧ２はＡ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂの双方に入力されているため、Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂは増幅回路２２ａ，２２ｂで増幅された光電変換信号を同一のタイミングでそれぞれサンプリングする。
【００２７】
平均化処理回路２４ａは、パルス光源回路１１から射出されるレーザ光ＰＬが複数回に亘って光ファイバ１３に入射される度にＡ／Ｄ変換回路２３ａから出力されるサンプルデータを平均化する。同様に、平均化処理回路２４ｂは、パルス光源回路１１から射出されるレーザ光ＰＬが複数回に亘って光ファイバ１３に入射される度にＡ／Ｄ変換回路２３ｂから出力されるサンプルデータを平均化する。光ファイバ１３で生ずるラマン散乱光（ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａ）は微弱であるため、光ファイバ１３に対して複数回に亘ってレーザ光ＰＬを入射させて得られるサンプルデータを平均化することにより、所望の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を得ている。
【００２８】
演算処理回路２５は、平均化処理回路２４ａで平均化処理が行われたストークス光Ｐｓに関するサンプルデータと、平均化処理回路２４ａで平均化処理が行われた反ストークス光Ｐａに関するサンプルデータとを用いて、サンプルポイント（光ファイバ１３内における位置と同義）毎の強度比を求め、この強度比からサンプルポイント毎の温度を求める演算を行う。
【００２９】
ここで、光ファイバ１３で生じた後方散乱光ＰＢに含まれるストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａの波数はある広がりを有しており、ラマンシフト波数も定数（線スペクトル）ではなくある分布を有している。演算処理回路１５は、上記のサンプルポイント毎の強度比を、ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａが共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして求める。
【００３０】
また、演算処理回路２５は、上記の演算によって求められるサンプルポイント毎の強度比を、メモリ２６に記憶される補正テーブルを用いて補正する。この補正テーブルは、ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａのラマンシフト波数の分布を考慮して求められた温度毎のストークス光と反ストークス光との強度比を示すテーブルであり、演算処理回路１５において求められる強度比（ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａが共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして求められる強度比）を、ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａのラマンシフト波数の分布を考慮した強度比に補正するものである。
【００３１】
補正テーブルを用いて補正された強度比からサンプルポイント毎の温度を求めることにより、ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａのラマンシフト波数の分布を考慮した光ファイバ１３の長さ方向における温度分布が高精度に求められる。更に、演算処理回路２５は、ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａのラマンシフト波数の分布を示すデータを用いてメモリ２６に記憶される補正テーブルを作成することもできる。尚、補正テーブルを用いた補正方法及び補正テーブルの作成方法の詳細については後述する。
【００３２】
メモリ２６は、例えば揮発性又は不揮発性のＲＡＭ（Random Access Memory）等であり、演算処理回路２５で用いられる各種のデータを記憶する。例えば、ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａのラマンシフト波数の分布を示すデータ、演算処理回路２５によって作成される補正テーブル、演算処理回路２５で演算を行う際に一時的に用いられるデータ等を記憶する。尚、このメモリ２６は、演算処理回路２５とは別に設けられていてもよく、演算処理回路２５内に内蔵されていても良い。
【００３３】
タイミング発生回路１５は、パルス光源回路１１に対して、パルス状のレーザ光ＰＬを射出させるタイミングを規定するタイミング信号ＴＧ１を出力する。また、タイミング発生回路１５は、Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂに対して、これらが増幅回路２２ａ，２２ｂから出力される光電変換信号をそれぞれサンプリングするタイミングを規定するタイミング信号ＴＧ２を出力する。
【００３４】
表示操作装置１６は、例えば、液晶表示装置やＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等の表示装置とユーザにより操作されるキーボードやマウス等の入力装置とを備えたコンピュータにより実現される。この表示操作装置１６は、演算処理回路２５から出力される演算結果（光ファイバ１３の長さ方向における温度分布）を表示装置に表示するとともに、ユーザの操作に応じて、処理部１４及びタイミング発生回路１５等を制御する。
【００３５】
次に、上記構成による温度測定装置１の動作について説明する。図２は、本発明の第１実施形態による温度測定装置の動作を示すフローチャートである。図２に示す通り、温度測定装置１の動作は、補正テーブルを作成する初期化ステップＳ１と、光ファイバ１３の長手方向における温度分布を測定する測定ステップＳ２とに大別される。以下、これらのステップで行われる処理の詳細について順に説明する。
【００３６】
初期化ステップＳ１が開始されると、まずユーザの操作によって、光ファイバ１３内で生ずるストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を示すデータ（分布データ）が温度測定装置１のメモリ２６に記憶される（ステップＳ１１）。この分布データは、予め光スペクトラムアナライザ等を用いて光ファイバ１３を測定することにより得られるデータであり、光ファイバ１３をなす材質（分子構造）によって決まるものであるため１度だけ測定すればよい。
【００３７】
図３は、光ファイバ１３内で生ずるストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を示す分布データの一例を示す図である。図３に示す通り、分布データは、ラマンシフト波数毎のストークス光及び反ストークス光の相対強度を示すデータである。尚、図３においては、ラマンシフト波数毎のストークス光の相対強度を示す分布データのみを図示しているが、ラマンシフト波数毎の反ストークス光の相対強度を示す分布データも同様のデータである。
【００３８】
尚、上記の分布データは、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を正確に反映したデータであることが望ましいが、その分布の近似値を示すデータであっても良い。以下では、ストークス光のラマンシフト波数の分布をＳ（ν）とし、反ストークス光のラマンシフト波数の分布をＡ（ν）とする。
【００３９】
次に、演算処理回路２５によって、メモリ２６に記憶された分布データが読み出され、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮したストークス光と反ストークス光との強度比が算出される（ステップＳ１２）。この処理では、まずメモリ２６から読み出された分布データを正規化し、次いで正規化した分布データを考慮した既知の温度Ｔｒにおけるストークス光及び反ストークス光の強度をそれぞれ求め、最後にストークス光と反ストークス光との強度比を求める処理が順に行われる。
【００４０】
具体的には、以下の処理が順に行われる。分布Ｓ（ν），Ａ（ν）を正規化した分布（正規化分布）をそれぞれＳ＊（ν），Ａ＊（ν）とすると、メモリ２６から読み出された分布データに対して例えば以下の（５）式に示す演算が行われて正規化分布Ａ＊（ν），Ｓ＊（ν）が求められる。
【数５】
2010223831.tif 000007
【００４１】
次に、既知の温度Ｔｒにおけるストークス光及び反ストークス光の強度をラマンシフト波数毎に求める処理が行われ、以下の（６）式に示す通り、求められたストークス光及び反ストークス光の強度に対して上記（５）式に示す正規化分布Ｓ＊（ν），Ａ＊（ν）をそれぞれ乗算して波数νで積分する処理が行われる。この処理によってラマンシフト波数の分布を考慮したストークス光及び反ストークス光の強度がそれぞれ求められる。
【数６】
2010223831.tif 000008
【００４２】
最後に、以下の（７）式に示す通り、上記（６）式に示される反ストークス光の強度を示す式をストークス光の強度を示す式で除算する処理が行われる。これにより、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮したストークス光と反ストークス光との強度比が算出される。
【数７】
2010223831.tif 000009
【００４３】
次いで、既知の温度Ｔｒにおけるストークス光及び反ストークス光の強度が従来の方法により測定され、その強度比が従来の方法で算出される（ステップＳ１３）。つまり、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとしてストークス光及び反ストークス光の強度が測定されるとともに強度比が算出される。ここで求められる強度比Ｒ（Ｔｒ）は、以下の（８）式で表される。
【数８】
2010223831.tif 000010
【００４４】
そして、以下の（９）式に示す通り、ステップＳ１２で得られた強度比をステップＳ１３で得られた強度比で除算する処理を行う。かかる処理は、メモリ２６に記憶される分布データを得た光スペクトラムアナライザ等と温度測定装置１との測定感度の違いを解消するために行われる処理である。
【数９】
2010223831.tif 000011
【００４５】
以上の処理によって求められた強度比Ｒ（Ｔｒ）は、ある既知の温度Ｔｒにおけるものである。このため、測定すべき温度範囲内において温度Ｔｒを変化させながら以上の処理を繰り返すことによって、温度補正テーブルが作成される（ステップＳ１４）。図４は、本発明の第１実施形態における初期化ステップＳ１で作成される補正テーブルの一例を示す図である。図４に示す通り、補正テーブルは、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮して求められた温度毎のストークス光と反ストークス光との強度比を示すテーブルである。
【００４６】
尚、上記のステップＳ１３では、ストークス光と反ストークス光の強度比を従来の方法で求めるために、既知の温度Ｔｒにおけるストークス光及び反ストークス光の強度を従来の方法で測定している。しかしながら、既知の温度Ｔｒを変えながら従来の方法による測定を予め行ってストークス光及び反ストークス光の強度をそれぞれ求めておけば、ステップＳ１３で測定を行うことなく演算処理回路２５の演算のみで補正テーブルを作成することも可能である。尚、作成された補正テーブルは例えばメモリ２６に記憶される。
【００４７】
以上の初期化ステップＳ１が終了すると測定ステップＳ２が行われる。測定ステップＳ２が開始されると、まず温度が不明である光ファイバ１３の測定が行われる（ステップＳ２１）。光ファイバ１３の測定が開始されると、図１に示すタイミング発生回路１５からタイミング信号ＴＧ１が出力され、このタイミング信号ＴＧ１に基づいてパルス光源回路１１からパルス状のレーザ光ＰＬが射出される。このレーザ光ＰＬは、光フィルタ部１２を介して光ファイバ１３に入射し、光ファイバ１３内を伝播する。これにより、光ファイバ１３内でラマン散乱光（ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａ）を含む後方散乱光ＰＢが発生する。
【００４８】
この後方散乱光ＰＢは、光ファイバ１３内をレーザ光ＰＬの進行方向とは逆方向に進み、フィルタ部１２の光フィルタ１２ｂに入射する。そして、ストークス光Ｐｓと反ストークス光Ｐａとが抽出されて分離される。ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａは、光電変換回路２１ａ，２１ｂでそれぞれ光電変換されて、それらの光電変換信号が増幅回路２２ａ，２２ｂでそれぞれ増幅される。増幅回路２２ａ，２２ｂで増幅された光電変換信号は、Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂにおいて、タイミング発生回路１５から出力されるタイミング信号ＴＧ２で規定されるタイミングでそれぞれサンプリングされる。
【００４９】
光ファイバ１３にパルス状のレーザ光ＰＬが入射される度に、以上の処理が繰り返し行われ、Ａ／Ｄ変換回路２３ａから出力されるストークス光Ｐｓに関するサンプルデータが平均化処理回路２４ａでサンプルポイント毎に平均化されるとともに、Ａ／Ｄ変換回路２３ｂから出力される反ストークス光Ｐａに関する複数のサンプルデータが平均化処理回路２４ｂでサンプルポイント毎に平均化される。
【００５０】
Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂの各々でサンプルポイント毎に平均化されたサンプルデータは演算処理回路２５に入力され、ストークス光Ｐｓに関するサンプルデータと反ストークス光Ｐａに関するサンプルデータとの比がサンプルポイント毎に求められる（ステップＳ２２）。つまり、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして、サンプルポイント毎のストークス光と反ストークス光との強度比が求められる。
【００５１】
次に、ステップＳ２２で求められた強度比を、初期化ステップＳ１で作成された補正テーブルを用いて補正して温度を算出する処理が行われる（ステップＳ２３）。例えば、あるサンプルポイントの強度比が「１．０００００」であった場合には、図４に示す補正テーブルを用いて、そのサンプルポイントにおける温度が３００［Ｋ］であると求められる。
【００５２】
ここで、前述した（３）式中の強度比Ｒ（Ｔ）に上記の強度比「１．０００００」を代入すれば従来の方法による温度が求められる。本実施形態では、図４に示す補正テーブルを用いて温度を求めることにより、（３）式中から求められる温度（ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａが共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして求められる温度）を、ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａのラマンシフト波数の分布を考慮して求めた温度に補正している。
【００５３】
次いで、演算処理回路２５によって、全てのサンプルポイントの温度を算出したか否かが判断される（ステップＳ２４）。温度の算出を行っていないサンプルポイントが存在すると判断した場合（判断結果が「ＮＯ」の場合）には、ステップＳ２３の処理が繰り返され、全てのサンプルポイントについて温度の算出を行ったと判断した場合（判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、一連の測定ステップＳ２が終了する。このようにして、ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａのラマンシフト波数の分布を考慮した光ファイバ１３の長手方向における温度分布が高精度に求められる。
【００５４】
尚、図４に示す補正テーブルの温度刻みは５［Ｋ］であるが、より細かい温度刻みの補正テーブルを作成すれば温度分布の測定精度を向上させることができる。また、図４に示す補正テーブルを用いて温度を測定する場合において、ステップＳ２２で算出された強度比に応じて補正テーブルを補完することにより、より高い精度で温度分布を測定することができる。また、既知の温度Ｔｒが一定ならば、一度補正テーブルを作成してしまえば繰り返し同じ補正テーブルを用いることができる。このため、温度分布の測定を行った光ファイバ１３を再び測定する場合には、図２に示す初期化処理Ｓ１を省略することができる。更に、既知の温度Ｔｒが変動しないように既知の温度Ｔｒを求める光ファイバ１３の区間を恒温槽内に配置する等の対策を行っても良い。
【００５５】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による温度測定装置について詳細に説明する。本実施形態の温度測定装置の構成は以上説明した第１実施形態による温度測定装置の構成とほぼ同じである。但し、演算処理回路２５における補正テーブルの作成方法及び補正テーブルを用いた温度分布の補正方法が異なる。
【００５６】
具体的に、演算処理回路２５は、光ファイバ１３内で生ずるストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとした場合に求められる温度と、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮して求められる温度との差分を温度毎に示す補正テーブルを作成する。また、演算処理回路２５は、光ファイバ１３内で生ずるストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして従来の方法により各サンプリングポイントの温度を求め、この温度の各々を補正テーブルを用いて補正する処理を行う。
【００５７】
以下、本実施形態の温度測定装置の動作について説明する。図５は、本発明の第２実施形態による温度測定装置の動作を示すフローチャートである。図５に示す通り、温度測定装置の動作は、補正テーブルを作成する初期化ステップＳ３と、光ファイバ１３の長手方向における温度分布を測定する測定ステップＳ３とに大別される。以下、これらのステップで行われる処理の詳細について順に説明する。
【００５８】
初期化ステップＳ３が開始されると、まずストークス光及び反ストークス光の強度が従来の方法により測定され、その強度比が従来の方法で算出される（ステップＳ３１）。つまり、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとしてストークス光及び反ストークス光の強度が測定されて強度比が算出される。次いで、ユーザの操作によって、光ファイバ１３内で生ずるストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を示す分布データが温度測定装置のメモリ２６に記憶される（ステップＳ３２）。
【００５９】
次に、演算処理回路２５によって、メモリ２６に記憶された分布データが読み出され、この分布データを乗じたストークス光及び反ストークス光の温度毎の強度を示すテーブルが作成される（ステップＳ３３）。具体的には、（１）式に示す式に対して温度Ｔをパラメータとして指定して温度毎の反ストークス光の強度Ａｓ及びストークス光の強度Ｓｔをそれぞれ求め、これら温度毎の反ストークス光の強度Ａｓ及びストークス光の強度Ｓｔに対して反ストークス光及びストークス光の分布データをそれぞれ乗算する処理が行われる。尚、ラマンシフト波数νとしては、実際の光ファイバ１３の有するラマンシフト波数の分布に含まれる所定の波数を用いればよい。
【００６０】
以上の処理が終了すると、演算処理回路２５によって、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとしてストークス光と反ストークス光との温度毎の強度比を示すテーブルが作成される（ステップＳ３４）。具体的には、既知の温度Ｔｒにおける強度比がステップＳ３１で算出された強度比と等しくなるように、ステップＳ３３で作成されたテーブルを補正（線形補正）する処理が行われる。
【００６１】
ここで、ステップＳ３１で測定された既知の温度Ｔｒにおけるストークス光及び反ストークス光の強度をそれぞれＡｓ（Ｔｒ），Ｓｔ（Ｔｒ）とすると、既知の温度Ｔｒにおける反ストークス光とストークス光との強度比Ｐ１は、以下の（１０）式で表される。
【数１０】
2010223831.tif 000012
【００６２】
よって、線形補正されたテーブルは、温度Ｔをパラメータにした以下の（１１）式に示す強度比Ｐ２で表される。
【数１１】
2010223831.tif 000013
【００６３】
次に、演算処理回路２５によって、ラマンシフト波数分布を考慮したストークス光と反ストークス光との温度毎の強度比を示すテーブルが作成される（ステップＳ３５）。この処理では、まず正規化した分布データを考慮したストークス光及び反ストークス光の温度毎の強度を示すテーブルを作成し、次にストークス光と反ストークス光との温度毎の強度比を示すテーブルを作成し、最後に既知の温度Ｔｒにおける強度比がステップＳ３１で算出された強度比と等しくなるようにテーブルを補正（線形補正）する処理が順に行われる。
【００６４】
具体的には、以下に示す処理が順に行われる。まず、以下の（１２）式に示す通り、ストークス光及び反ストークス光の強度に対して正規化分布Ｓ＊（ν），Ａ＊（ν）をそれぞれ乗算して波数νで積分し、温度Ｔをパラメータとしてストークス光及び反ストークス光の強度を示すテーブルを作成する処理が行われる。尚、以下の（１２）式中におけるＡ１，Ｓ１は、温度測定装置の性能及び光ファイバの特性に依存する固有の定数である。
【数１２】
2010223831.tif 000014
【００６５】
次に、以下の（１３）式に示す通り、上記（１２）式に示される反ストークス光の強度を示す式をストークス光の強度を示す式で除算する処理が行われる。これにより、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮したストークス光と反ストークス光との強度比が算出される。
【数１３】
2010223831.tif 000015
【００６６】
最後に、既知の温度Ｔｒにおける強度比がステップＳ３１で算出された強度比と等しくなるようにテーブルを補正（線形補正）する処理が順に行われる。ここで、ステップＳ３１で測定された既知の温度Ｔｒにおけるストークス光及び反ストークス光の強度をそれぞれＡｓ（Ｔｒ），Ｓｔ（Ｔｒ）とすると、既知の温度Ｔｒにおける反ストークス光とストークス光との強度比Ｐ３は、以下の（１４）式で表される。
【数１４】
2010223831.tif 000016
【００６７】
よって、線形補正されたテーブルは、温度Ｔをパラメータにした以下の（１５）式に示す強度比Ｐ４で表される。
【数１５】
2010223831.tif 000017
【００６８】
そして、演算処理回路２５によって、ステップ３４で作成されたテーブルとステップＳ３５で作成されたテーブルとの温度毎の差分を算出する処理が行われる。以上の処理によって、補正テーブルが作成される。図６は、本発明の第２実施形態における初期化ステップＳ３で作成される補正テーブルの一例を示す図である。図６に示す通り、補正テーブルは、光ファイバ１３内で生ずるストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとした場合に求められる温度と、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮して求められる温度との差分を温度毎に示すテーブルである。尚、作成された補正テーブルは例えばメモリ２６に記憶される。
【００６９】
以上の初期化ステップＳ３が終了すると測定ステップＳ４が行われる。測定ステップＳ４が開始されると、まず温度が不明である光ファイバ１３の測定が行われる（ステップＳ４１）。尚、光ファイバ１３の測定時における温度測定装置の動作は第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００７０】
ステップＳ４１の測定を行って得られたサンプルポイント毎のサンプルデータ（Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂの各々でサンプルポイント毎に平均化されたサンプルデータ）は演算処理回路２５に入力され、Ａ／Ｄ変換回路２３ａから出力されるサンプルデータとＡ／Ｄ変換回路２３ｂから出力されるサンプルデータとの比がサンプルポイント毎に求められる。そして、この比からサンプルポイント毎の温度が算出される（ステップＳ４２）。つまり、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして、サンプルポイント毎のストークス光と反ストークス光との強度比が求められて温度が算出される。
【００７１】
次に、ステップＳ４２で求められた温度を、初期化ステップＳ３で作成された補正テーブルを用いて補正してする処理が行われる（ステップＳ４３）。例えば、あるサンプルポイントの温度が３２０［Ｋ］であった場合には、図６に示す補正テーブルを用いて、そのサンプルポイントにおける温度が３２０［Ｋ］から−０．６８［Ｋ］だけ減じられた３１９．３２［Ｋ］に補正される。
【００７２】
次いで、演算処理回路２５によって、全てのサンプルポイントの温度を算出したか否かが判断される（ステップＳ４４）。温度の算出を行っていないサンプルポイントが存在すると判断した場合（判断結果が「ＮＯ」の場合）には、ステップＳ４３の処理が繰り返され、全てのサンプルポイントについて温度の算出を行ったと判断した場合（判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、一連の測定ステップＳ４が終了する。このようにして、ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａのラマンシフト波数の分布を考慮した光ファイバ１３の長手方向に温度分布が高精度に求められる。
【００７３】
尚、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、より高い精度で温度分布を測定するために、より細かい温度刻みの補正テーブルを作成しても良く、ステップＳ４２で算出された温度に応じて補正テーブルを補完しても良い。また、第１実施形態と同様に、既知の温度Ｔｒが変動しないように既知の温度Ｔｒを求める光ファイバ１３の区間を恒温槽内に配置する等の対策を行っても良い。
【００７４】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態による温度測定装置について詳細に説明する。前述した第１，第２実施形態では、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮した補正テーブルを作成し、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして求められた温度分布を補正テーブルを用いて補正することにより、光ファイバ１３の長さ方向における温度分布を高精度に測定するものであった。
【００７５】
これに対し、本実施形態の温度測定装置は、ラマンシフト波数の分布を有するストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａを個別に線スペクトル状にすることで、ラマンシフト波数の分布によって生ずる温度誤差の低減を図り、もって温度分布の測定精度を高めるものである。本実施形態の温度測定装置の構成は前述した第１，第２実施形態による温度測定装置の構成とほぼ同じである。但し、光フィルタ１２ｂが、ストークス光Ｐｓ及び反ストークス光Ｐａを線スペクトル状にする透過特性を有する点が相違する。
【００７６】
図７は、本発明の第３実施形態による温度測定装置が備える光フィルタの透過特性の一例を示す図であって、（ａ）はストークス光に係る光フィルタの透過特性を示す図であり、（ｂ）は反ストークス光に係る光フィルタの透過特性を示す図である。尚、図７中に示す波数ν０はパルス光源回路１１から射出されるレーザ光ＰＬ（光ファイバ１３に入射するレーザ光）の波数である
【００７７】
図７（ａ）に示す通り、ストークス光に係る光フィルタは、ラマンシフト波数の分布を有するストークス光Ｐｓのうちの波数ν１１〜ν１２を有する波数成分のみを透過させるバンドパスフィルタの透過特性Ｃ１を有する。また、図７（ｂ）に示す通り、反ストークス光に係る光フィルタは、ラマンシフト波数の分布を有する反ストークス光Ｐａのうちの波数ν２１〜ν２２を有する波数成分のみを透過させるバンドパスフィルタの透過特性Ｃ２を有する。
【００７８】
尚、これらのフィルタの透過特性は、複数の波数成分を透過させる透過特性である必要は必ずしも無く、反ストークス光及びストークス光の各々について少なくとも１つの波数成分を透過させる透過特性であればよい。また、これらのフィルタは、波数成分の透過帯域が可変であるのが望ましい。ここで、反ストークス光の強度は、ラマンシフト波数と温度とによって変動するため、必ずしも強度が最大となる波数が最大の温度依存性を示すとは限らない。透過帯域が可変のフィルタを用いることで、反ストークスの温度依存性が最大となる波数を選択するといったことが可能となる。
【００７９】
ストークス光及び反ストークス光を線スペクトル状にする透過特性を有する光フィルタを光フィルタ１２ｂとして用いれば、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして温度分布を測定する従来の方法を用いても、測定誤差を低減することができる。勿論、上記の透過特性を有する光フィルタを用いた場合であっても、前述した第１，第２実施形態のように測定された温度分布を補正テーブルを用いて補正して、測定精度をより高めることも可能である。
【００８０】
以上説明した通り、本発明の第１，第２実施形態では、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮した補正テーブルを作成し、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして求められた温度分布を補正テーブルを用いて補正しているため、光ファイバ１３の長さ方向における温度分布を高精度に測定することができる。また、本発明の第３実施形態のように、ラマンシフト波数の分布を有するストークス光及び反ストークス光を線スペクトル状にする光フィルタを用いれば、測定精度をより高めることができる。
【００８１】
以上、本発明の実施形態による温度測定装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、パルス状のレーザ光ＰＬを光ファイバ１３に入射させて光ファイバ１３の長さ方向における温度分布を測定する温度測定装置について説明した。しかしながら、本発明は、光ファイバ以外の被測定対象の温度を測定する温度測定装置、連続光を用いたラマン分光による温度測定装置にも適用することができる。
【００８２】
また、被測定対象に入射させるレーザ光の周波数を変化させながら被測定対象から得られる光の周波数特性・位相特性を求めることにより温度を測定するＲ−ＯＦＤＲ（Raman Optical Frequency Domain Reflectometry：光周波数領域反射測定装置）と言われる温度測定装置にも適用することができる。また、被測定対象に入射させるパルス状のレーザ光としてゴーレイ符号、バーカー符号、シンプレックス符号等を用いて符号変調した光パルス列を用いる温度測定装置にも適用することができる。
【００８３】
更に、上記実施形態のように、ストークス光Ｐｓと反ストークス光Ｐａとを測定して光ファイバ１３の長手方向における温度分布を測定する温度測定装置のみならず、ストークス光のみ、反ストークス光のみ、或いはレーリー散乱光と反ストークス光とから温度を測定する温度測定装置にも本発明を適用することができる。つまり、本発明は、ラマン散乱光を用いて温度を測定するあらゆる温度測定装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１                温度測定装置
１３              光ファイバ
２１ａ，２１ｂ    光電変換回路
２５              演算処理回路
２６              メモリ
Ｐａ               反ストークス光
ＰＬ               レーザ光
Ｐｓ               ストークス光
【図１】
2010223831.tif 000018
【図２】
2010223831.tif 000019
【図３】
2010223831.tif 000020
【図４】
2010223831.tif 000021
【図５】
2010223831.tif 000022
【図６】
2010223831.tif 000023
【図７】
2010223831.tif 000024
【図８】
2010223831.tif 000025
【図９】
2010223831.tif 000026