(57)【要約】  被測定光ファイバにパルス光を入射する光源と、前記パルス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に含まれる所定の光の受光強度を検出する信号検出部と、前記所定の光の受光強度に基づいて前記被測定光ファイバの水素分子吸収による受光強度の変化量に応じた値を算出し、前記値に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じた前記所定の光の受光強度を補正する信号処理部とを有する光ファイバ温度分布測定装置および光ファイバ温度分布測定方法。
2008035784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定光ファイバにパルス光を入射する光源と、
前記パルス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に含まれる所定の光の受光強度を検出する信号検出部と、
前記所定の光の受光強度に基づいて前記被測定光ファイバの水素分子吸収による受光強度の変化量に応じた値を算出し、前記値に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じた前記所定の光の受光強度を補正する信号処理部とを有する光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項２】
前記信号検出部は、前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるストークス光および反ストークス光の受光強度を検出する請求項１に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項３】
前記信号検出部は、前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるストークス光、反ストークス光、およびレーリー光の受光強度を検出する請求項１に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項４】
前記信号処理部は、ストークス光の受光強度の変化量に応じた値に基づいて、前記被測定光ファイバの温度に応じた反ストークス光の受光強度を補正する請求項１に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項５】
前記信号処理部は、前記光源が出力する温度測定用パルス光の波長に基づいて得られる受光強度の変化量に応じた値に基づいて、前記被測定光ファイバの温度に応じた前記所定の光の受光強度を補正する請求項１に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項６】
前記信号処理部は、他の光源が出力する１２４０ｎｍ光の波長に基づいて得られる受光強度の変化量に応じた値に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じた前記所定の光の受光強度を補正する請求項１に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項７】
純石英コア光ファイバからなる前記被測定光ファイバと、請求項１に記載の光ファイバ温度分布測定装置とを用いる光ファイバ温度分布測定システム。
【請求項８】
光源から被測定光ファイバにパルス光を入射し、
前記パルス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に含まれる所定の光の受光強度を検出し、
前記所定の光の受光強度に基づいて前記被測定光ファイバの水素分子吸収による受光強度の変化量に応じた値を算出し、
前記値に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じた前記所定の光の受光強度を補正する光ファイバ温度分布測定方法。
【請求項９】
前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるストークス光に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じた反ストークス光の受光強度を補正する請求項８に記載の光ファイバ温度分布測定方法。
【請求項１０】
前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるレーリー光に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じたストークス光および反ストークス光の受光強度を補正する請求項８に記載の光ファイバ温度分布測定方法。
【請求項１１】
前記所定の光として前記後方散乱光に含まれる１２４０ｎｍ光のレーリー光に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じたストークス光および反ストークス光の受光強度を補正する請求項８に記載の光ファイバ温度分布測定方法。
【請求項１２】
被測定光ファイバにパルス光を入射する光源と、
前記パルス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に含まれる光であり、反ストークス光と参照光を含む複数の所定の光の受光強度を検出する信号検出部と、
前記反ストークス光の受光強度を用いて前記被測定光ファイバの温度分布を計算する信号処理部とを有し、
前記信号処理部は、前記被測定光ファイバの水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量を各地点毎に算出し、前記反ストークス光の受光強度に対し、水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量に基づいて計算された、水素分子吸収による前記反ストークス光の受光強度の変化量を各地点毎に加算する補正を行う補正部と、前記補正された反ストークス光の受光強度を使用して前記温度分布の計算をする温度分布計算部とを有する
光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項１３】
前記水素分子吸収による前記反ストークス光の受光強度の変化量は、前記水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量に所定の係数を乗じて計算する請求項１２記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項１４】
前記所定の係数は、前記水素分子吸収による前記反ストークス光の受光強度の変化量を前記水素分子吸収による参照光の受光強度の変化量で割った値とする係数演算部を有する請求項１３記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項１５】
前記所定の係数を、前記被測定光ファイバの近傍に配置した温度センサにより測定された測定温度に基づいて、前記測定温度となるように前記反ストークス光の受光強度を補正する値として算出する係数演算部を有する請求項１３記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項１６】
前記所定の係数を外部から入力する係数データ取り込み部を有する請求項１３記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項１７】
温度差による前記参照光の受光強度の変化量を決定し、前記被測定光ファイバの各地点での前記参照光の受光強度に前記温度差による前記参照光の受光強度の変化量を加算する参照光補正部を有することを特徴とする請求項１３記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項１８】
前回測定での温度分布測定結果に基づき、前記温度差による参照光の受光強度の変化量を決定することを特徴とする請求項１７記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項１９】
最新の測定の温度分布測定結果に基づき、前記温度差による参照光の受光強度の変化量を決定することを特徴とする請求項１７記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項２０】
純石英コアを有する光ファイバである前記被測定光ファイバと、請求項１２記載の光ファイバ温度分布測定装置とを用いる光ファイバ温度分布測定システム。
【請求項２１】
光源から被測定光ファイバにパルス光を入射し、
前記パルス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に含まれる光であり、反ストークス光と参照光を含む複数の所定の光の受光強度を検出し、
前記反ストークス光の受光強度を用いて前記被測定光ファイバの温度分布を計算する光ファイバ温度分布測定方法であり、
前記被測定光ファイバの水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量を各地点で算出し、前記反ストークス光の受光強度に対して、前記水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量に基づいて計算された、水素分子吸収による前記反ストークス光の受光強度の変化量を各地点毎に加算する補正を行い、
前記補正された反ストークス光の受光強度を使用して前記温度分布の計算をする
光ファイバ温度分布測定方法。
【請求項２２】
前記水素分子吸収による前記反ストークス光の受光強度の変化量は、前記水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量に所定の係数を乗じて計算する請求項２１記載の光ファイバ温度分布測定方法。
【請求項２３】
前記所定の係数は、前記水素分子吸収による前記反ストークス光の受光強度の変化量を前記水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量で割った値とする請求項２２記載の光ファイバ温度分布測定方法。
【請求項２４】
前記所定の係数を、前記被測定光ファイバの近傍に配置された温度センサによって測定された測定温度に基づき、前記測定温度となるように前記反ストークス光の受光強度を補正する値として算出する請求項２２記載の光ファイバ温度分布測定方法。
【請求項２５】
前記所定の係数を外部から入力する請求項２２記載の光ファイバ温度分布測定方法。
【請求項２６】
初回の温度分布の測定を被測定光ファイバへの水素分子が拡散しておらず水素分子吸収の影響が少ない段階で行い、２回目の温度分測定の際に、初回の温度分布の測定結果を基に前記温度差による参照光の受光強度の変化量を決定し、前記被測定光ファイバの各地点での前記参照光の受光強度に前記温度差による参照光の受光強度の変化量を加算することを特徴とする請求項２１記載の光ファイバ温度分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバの温度分布を光学的に遠隔測定するための光ファイバ温度分布測定装置、光ファイバ温度分布測定方法および光ファイバ温度分布測定システムに関する。
本出願は、国際出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２００６／３１８８５８に基づいており、この国際出願の全内容は、本出願において参照され導入される。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバの温度分布を光学的に遠隔測定するための光ファイバの温度分布測定方法として、ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）による距離測定の原理と、ラマン散乱光の検出による温度測定の原理とを組み合わせた方法が知られている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照。）。【０００３】
図１４Ａおよび図１４Ｂは、特許文献１に記載された光ファイバの温度分布測定の原理を示す説明図であり、図１４Ａは、温度分布の測定原理図であり、図１４Ｂは、後方散乱光の波長分布図である。温度分布の測定は、被測定光ファイバ２を、入射パルス光４が通過し、散乱点５において生じた後方散乱光６を光路変換して波長分離器（図示せず）に出力光７として出力するビームスプリッタ３と、波長分離器から出力される信号を検出する信号検出部（図示せず）、信号処理部（図示せず）等を備える構成を用いて行われる。【０００４】
次に、光ファイバの温度分布の測定方法を説明する。まず、被測定光ファイバ２に光源（図示せず）により発生させた波長λ０の入射パルス光４を入射すると、伝播の過程である散乱点５において後方散乱光６が現れ、入射端側に戻ってくる。ここで、入射端からある散乱点５までの距離をＬ、入射パルス光４の入射時点から後方散乱光６の検出時点までの時間をｔ、被測定光ファイバ２の屈折率をｎ、真空中の光速をＣ０ 、被測定光ファイバ２中の光速をＣとすると、
Ｃ＝Ｃ０／ｎ−−−−（１）
Ｌ＝Ｃ・ｔ／２−−−−（２）
となる。したがって、（２）式により散乱点５の位置が定量的に求められる。【０００５】
一方、後方散乱光６には、図１４Ｂに示すように、レーリー光２０、ストークス光２１、および反ストークス光２２が含まれる。入射パルス光４の波長をλ０とするとレーリー光２０の波長はλ０となり、波長シフト量をΔλとすると、ストークス光２１の波長λＳと反ストークス光２２の波長λＡＳは、
λＳ=λ０+Δλ−−−−（３）
λＡＳ=λ０−Δλ−−−−（４）
となる。【０００６】
そして、ある散乱点において生じる後方散乱光中の波長λＳのストークス光２１の受光強度をＩＳ、波長λＡＳの反ストークス光２２の受光強度をＩＡＳで表わすと、ストークス光２１の受光強度ＩＳと反ストークス光２２の受光強度ＩＡＳの比は、被測定光ファイバ２中の散乱点５の絶対温度Ｔに依存し、
ＩＡＳ／ＩＳ＝Ａ・ｅｘｐ（−ｈ・Ｃ・Δλ／ｋＢ・Ｔ）−−−−（５）
に示す関係となる。ここで、ｈはプランク定数（Ｊ・Ｓ）、Δλはラマンシフト量（ｍ−１）、ｋＢはボルツマン定数(Ｊ／Ｋ）、Ｔは絶対温度（Ｋ），Ａは測定系の性能によって定まる定数である。したがって、散乱点の温度が定量的に求められる。また、反ストークス光２２のみでも被測定光ファイバ２中の散乱点５の絶対温度Ｔの関数となり、
ＩＡＳ＝Ｂ・（１／（ｅｘｐ（ｈ・Ｃ・Δλ／ｋＢＴ）−１））−−−−（６）
に示す関係となる。ここでＢは測定系の性能によって定まる定数である。以上から、散乱点５の温度は定量的に求めることができる。
なお、測定装置から離れた光ファイバ内のある散乱点で発生したストークス光、反ストークス光は光ファイバ伝播中に光ファイバによる吸収、散乱等により減衰する。従来技術ではストークス光、反ストークス光の光ファイバ伝播中のこれらの減衰量を単位距離当たりで一定とみなして補正している。【０００７】
従来の光ファイバの温度分布測定方法によれば、上記のように散乱点の位置および温度を求めることができる。
【特許文献１】特許第３０６３０６３号公報
【非特許文献１】J.P.Dakin, et al: Distributed Optical Fibre Raman Temperature Sensor using a Semiconductor Light Source and Detector 「ELECTRONICS LETTERS」1985年6月20日、Vol.21 No.13 p.569-570
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の光ファイバの温度分布測定方法には以下の問題がある。図１４Ａは従来技術の光ファイバの測定原理を示すが、実際の温度分布測定の際に、被測定光ファイバ２が水素雰囲気中にある（測定雰囲気３０に水素が含まれている）場合、被測定光ファイバ２中に水素分子が拡散する。そしてこの拡散した水素分子によって散乱点５で発生して装置側に戻っていく後方散乱光６が吸収され、信号検出部で検出される受光強度が低下する。なお、散乱点５自体が水素雰囲気にない場合であっても、散乱点５から装置までの間のある部分において被測定光ファイバが水素雰囲気中にあれば、受光強度の低下が発生する。この水素分子吸収による受光強度の低下量、すなわち光伝送損失の増加量は波長依存性を有するため、散乱点の測定温度に対応するストークス光と反ストークス光の受光強度が水素分子に起因する異なる光伝送損失を含んだ値となり、正確な温度情報が得られないという問題がある。なお、参考文献（N. Uchida and N. Uesugi, “Infrared Optical Loss Increase in Silica Fibers due to Hydrogen”, J. Lightwave Technol., Vol LT-4, No.8, pp.1132-1138, Aug. 1986.）にも開示されている通り、水素雰囲気中での光伝送損失には、光ファイバ内に拡散した水素分子によるの分子振動に起因する吸収損失（水素分子吸収）と、水素分子と光ファイバとの化学反応の結果生じる光伝送損失であって、ＯＨ基形成に起因するＯＨ基吸収損失等の損失とがある。本発明における水素分子による光伝送損失の増加は、特に記載の無い限り、この水素分子吸収による光伝送損失の増加を意味する。【０００９】
水素分子の存在に基づく光伝送への影響の一例として、図１５Ａおよび図１５Ｂは水素分子が存在する場合の距離と測定装置で検出される受光強度を示し、図１５Ａはストークス光の特性図であり、図１５Ｂは反ストークス光の特性図である。図１６は水素分子が存在する場合の距離と従来技術で算出された温度測定値の関係を示す。【００１０】
図１５Ａおよび図１５Ｂに示す被測定光ファイバの距離と受光強度の関係においては、水素分圧が０ＭＰａ，０．０４ＭＰａ，０．０７ＭＰａ，および０．０９ＭＰａと異なる条件でのストークス光と反ストークス光の特性がそれぞれ示されている。図１５Ａに示すように、ストークス光は、被測定光ファイバの長さ（距離）の増加にしたがって減衰により受光強度が低下し、かつ水素分圧の上昇にしたがって受光強度の低下が著しくなる傾向があることがわかる。また、図１５Ｂに示すように、反ストークス光についても同様の傾向があることがわかる。【００１１】
このように、被測定光ファイバ中に水素分子が拡散することによって光伝送損失が増加し、図１６に示すように温度測定値と真値との間に誤差が生じる。この誤差は被測定光ファイバの距離と水素分圧がそれぞれ大であるほど顕著になる。【００１２】
従って、本発明の目的は、光ファイバが水素雰囲気中にある場合であっても正確な温度を測定することができる光ファイバ温度分布測定装置、光ファイバ温度分布測定方法および光ファイバ温度分布測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の特徴によれば、被測定光ファイバにパルス光を入射する光源と、前記パルス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に含まれる所定の光の受光強度を検出する信号検出部と、前記所定の光の受光強度に基づいて前記被測定光ファイバの水素分子吸収による受光強度の変化量に応じた値を算出し、前記値に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じた前記所定の光の受光強度を補正する信号処理部とを有する光ファイバ温度分布測定装置を提供する。【００１４】
前記信号検出部は、前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるストークス光および反ストークス光の受光強度を検出してもよい。【００１５】
前記信号検出部は、前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるストークス光、反ストークス光、およびレーリー光の受光強度を検出してもよい。【００１６】
前記信号処理部は、ストークス光の受光強度の変化量に応じた値に基づいて、前記被測定光ファイバの温度に応じた反ストークス光の受光強度を補正してもよい。【００１７】
前記信号処理部は、前記光源が出力する温度測定用パルス光の波長に基づいて得られる受光強度の変化量に応じた値に基づいて、前記被測定光ファイバの温度に応じた前記所定の光の受光強度を補正してもよい。【００１８】
前記信号処理部は、他の光源が出力する１２４０ｎｍ光の波長に基づいて得られる受光強度の変化量に応じた値に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じた前記所定の光の受光強度を補正してもよい。【００１９】
更に、本発明の第２の特徴によれば、純石英コア光ファイバからなる前記被測定光ファイバと、本発明の第１の特徴による光ファイバ温度分布測定装置とを用いる光ファイバ温度分布測定システムを提供する。【００２０】
また、本発明の第３の特徴によれば、光源から被測定光ファイバにパルス光を入射し、前記パルス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に含まれる所定の光の受光強度を検出し、前記所定の光の受光強度に基づいて前記被測定光ファイバの水素分子吸収による受光強度の変化量に応じた値を算出し、前記値に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じた前記所定の光の受光強度を補正する光ファイバ温度分布測定方法を提供する。【００２１】
前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるストークス光に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じた反ストークス光の受光強度を補正してもよい。【００２２】
前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるレーリー光に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じたストークス光および反ストークス光の受光強度を補正してもよい。【００２３】
前記所定の光として前記後方散乱光に含まれる１２４０ｎｍ光のレーリー光に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じたストークス光および反ストークス光の受光強度を補正してもよい。【００２４】
さらに、本発明の第４の特徴によれば、被測定光ファイバにパルス光を入射する光源と、  前記パルス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に含まれる光であり、反ストークス光と参照光を含む複数の所定の光の受光強度を検出する信号検出部と、前記反ストークス光の受光強度を用いて前記被測定光ファイバの温度分布を計算する信号処理部とを有し、前記信号処理部は、前記被測定光ファイバの水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量を各地点毎に算出し、前記反ストークス光の受光強度に対し、水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量に基づいて計算された、水素分子吸収による前記反ストークス光の受光強度の変化量を各地点毎に加算する補正を行う補正部と、前記補正された反ストークス光の受光強度を使用して前記温度分布の計算をする温度分布計算部とを有する光ファイバ温度分布測定装置を提供する。【００２５】
前記水素分子吸収による前記反ストークス光の受光強度の変化量は、前記水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量に所定の係数を乗じて計算してもよい。【００２６】
前記所定の係数は、前記水素分子吸収による前記反ストークス光の受光強度の変化量を前記水素分子吸収による参照光の受光強度の変化量で割った値とする係数演算部を更に有してもよい。【００２７】
前記所定の係数を、前記被測定光ファイバの近傍に配置した温度センサにより測定された測定温度に基づいて、前記測定温度となるように前記反ストークス光の受光強度を補正する値として算出する係数演算部を有してもよい。【００２８】
前記所定の係数を外部から入力する係数データ取り込み部を更に有してもよい。【００２９】
温度差による前記参照光の受光強度の変化量を決定し、前記被測定光ファイバの各地点での前記参照光の受光強度に前記温度差による前記参照光の受光強度の変化量を加算する参照光補正部を更に有してもよい。【００３０】
前回測定での温度分布測定結果に基づき、前記温度差による参照光の受光強度の変化量を決定してもよい。【００３１】
最新の測定の温度分布測定結果に基づき、前記温度差による参照光の受光強度の変化量を決定してもよい。【００３２】
さらに、本発明の第５の特徴によれば、純石英コアを有する光ファイバである前記被測定光ファイバと、本発明の第４の特徴による光ファイバ温度分布測定装置とを用いる光ファイバ温度分布測定システムを提供する。【００３３】
本発明の第６の特徴によれば、光源から被測定光ファイバにパルス光を入射し、前記パルス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に含まれる光であり、反ストークス光と参照光を含む複数の所定の光の受光強度を検出し、前記反ストークス光の受光強度を用いて前記被測定光ファイバの温度分布を計算する光ファイバ温度分布測定方法であり、前記被測定光ファイバの水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量を各地点で算出し、前記反ストークス光の受光強度に対して、前記水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量に基づいて計算された、水素分子吸収による前記反ストークス光の受光強度の変化量を各地点毎に加算する補正を行い、前記補正された反ストークス光の受光強度を使用して前記温度分布の計算をする光ファイバ温度分布測定方法を提供する。【００３４】
前記水素分子吸収による前記反ストークス光の受光強度の変化量は、前記水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量に所定の係数を乗じて計算してもよい。【００３５】
前記所定の係数は、前記水素分子吸収による前記反ストークス光の受光強度の変化量を前記水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量で割った値としてもよい。【００３６】
前記所定の係数を、前記被測定光ファイバの近傍に配置された温度センサによって測定された測定温度に基づき、前記測定温度となるように前記反ストークス光の受光強度を補正する値として算出してもよい。【００３７】
また、前記所定の係数を外部から入力してもよい。【００３８】
初回の温度分布の測定を被測定光ファイバへの水素分子が拡散しておらず水素分子吸収の影響が少ない段階で行い、２回目の温度分測定の際に、初回の温度分布の測定結果を基に前記温度差による参照光の受光強度の変化量を決定し、前記被測定光ファイバの各地点での前記参照光の受光強度に前記温度差による参照光の受光強度の変化量を加算してもよい。【００３９】
光ファイバは、図１７Ａおよび図１７Ｂに示すように、波長によって光伝送損失が異なる。さらに、図示するように光ファイバが水素分圧の異なる雰囲気中（０ＭＰａ，０．０５ＭＰａ，０．０９ＭＰａ，０．１５ＭＰａ，および０．２０ＭＰａ）に曝されることで光伝送損失が変化する。図１７Ａおよび図１７Ｂに示されるように、水素分圧が上昇すると光伝送損失も増加する傾向がある。【００４０】
図１８Ａおよび図１８Ｂは、図１７Ａおよび図１７Ｂに示される傾向を明確にするために、水素が存在しない状態（すなわち０ＭＰａ）での光伝送損失を基準として、光ファイバの光伝送損失の増加量を水素分圧毎（０．０５ＭＰａ，０．０９ＭＰａ，０．１５ＭＰａ，および０．２０ＭＰａ）に示したものである。さらに図１９Ａおよび図１９Ｂに、石英光ファイバにおける光伝送損失が小となる１５５０ｎｍを基準として、他の波長８５０ｎｍ、１２４０ｎｍ、１３００ｎｍ、１４５０ｎｍ、１６５０ｎｍ、および１６９０ｎｍにおける光伝送損失の増加量の割合を例示する。これらの図表から光ファイバの光伝送損失の増加量は水素分圧に比例することが判る。【００４１】
このことから、ある波長ｊにおける水素分子による光ファイバの光伝送損失の増加量ΔＬｊと、他の波長ｉにおける水素分子による光ファイバの光伝送損失の増加量ΔＬｉとは
ΔＬｊ／ΔＬｉ＝ｋ  （ｋは定数）−−−−（７）
の関係を有する。波長ｉと波長ｊの光伝送損失の増加量に対応する比ｋが定まると、他の波長ｉの水素分子による光伝送損失の増加量ΔＬｉを求めることができる。なお、光伝送損失の増加量ΔＬｊ、ΔＬｉは水素分子による吸収によるものであり、ｋは光ファイバの種類に依存しない。また、ｋは波長に依存するが、温度の大小や水素量の大小に依存しない。
また、他の波長ｉの水素分子による光伝送損失の増加量が定まれば、ある波長ｊの水素分子による光伝送損失の増加量を求めることもできる。そこで、他の波長ｉの光を参照光として用いて、他の波長ｉの水素分子による受光強度の変化量とある波長ｊの水素分子による受光強度の変化量との比に基づき定数ｋを算出した上で、他の波長ｉの水素分子による受光強度の変化量を測定することで、ある波長ｊの水素分子による受光強度の変化量を算出することができる。また、過去の測定結果から定数ｋを決定すれば、ｋを算出するための測定を都度実施することなく、他の波長ｉの水素分子による受光強度の変化量を測定することで、ある波長ｊの水素分子による受光強度の変化量を算出することもできる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、光ファイバが水素雰囲気中にある場合であっても正確に温度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示す概略構成図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態に係るストークス光の受光強度ＩＳ０(ｘ）および反ストークス光の受光強度ＩＡＳ０(ｘ)を求めるフローチャートである。
【図３】図３は、第１の実施の形態に係るｋ値を決定するフローチャートである。
【図４】図４は、第１の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムでの温度測定手順を示すフローチャートである。
【図５Ａ】図５Ａは、反ストークス光の受光強度に基づく温度測定において、反ストークス光の受光強度の補正を行わない場合の温度測定結果を示す特性図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、反ストークス光の受光強度に基づく温度測定において、反ストークス光の受光強度の補正を行った場合の温度測定結果を示す特性図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示す概略構成図である。
【図７】図７は、第２の実施の形態に係るストークス光の受光強度ＩＳ０(ｘ）、反ストークス光の受光強度ＩＡＳ０(ｘ)、およびレーリー光の受光強度ＩＲ０(ｘ)を求めるフローチャートである。
【図８】図８は、第２の実施の形態に係るｌ値、ｍ値を決定するフローチャートである。
【図９】図９は、第２の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムでの温度測定手順を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示す概略構成図である。
【図１１】図１１は、第３の実施の形態に係るストークス光の受光強度ＩＳ０(ｘ）、反ストークス光の受光強度ＩＡＳ０(ｘ)、および１２４０ｎｍ光のレーリー光の受光強度ＩＲ‘０(ｘ)を求めるフローチャートである。
【図１２】図１２は、第３の実施の形態に係るｎ値、ｏ値を決定するフローチャートである。
【図１３】図１３は、第３の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムでの温度測定手順を示すフローチャートである。
【図１４Ａ】図１４Ａは、従来技術の光ファイバの温度分布測定の原理を示す図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、従来技術の光ファイバの後方散乱光の波長分布図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、水素分子が存在する場合のストークス光の距離と受光強度の関係を示す特性図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、水素分子が存在する場合の反ストークス光の距離と受光強度の関係を示す特性図である。
【図１６】図１６は、被測定光ファイバ中に水素分子が拡散することによる温度測定値と距離の関係を示す図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、被測定光ファイバの波長に対する光伝送損失量を示す特性図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、被測定光ファイバの各波長に対する光伝送損失量を示す表である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、被測定光ファイバの波長に対する光伝送損失増加量を示す特性図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、被測定光ファイバの各波長に対する光伝送損失増加量を示す表である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、１５５０ｎｍを基準としたときの他の波長における光伝送損失増加量の割合を示す特性図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、１５５０ｎｍを基準としたときの他の波長における光伝送損失増加量の割合を示す表である。
【図２０】図２０は、本発明の第４の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示す概略構成図である。
【図２１】図２１は、本発明の第５の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示す概略構成図である。
【図２２】図２２は、本発明の第６の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示す概略構成図である。
【図２３】図２３は、本発明の第７の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  光源
１Ａ  １２４０ｎｍ光源
１Ｂ  温度測定用光源
２  被測定光ファイバ
３  ビームスプリッタ
４  入射パルス光
５  散乱点
６  後方散乱光
７  出力光
８  波長分離部
９  信号検出部
９Ａ  ストークス光検出部
９Ｂ  反ストークス光検出部
９Ｃ  レーリー光検出部
９Ｄ  １２４０ｎｍ光検出部
９Ｅ  参照光検出部
１０  信号処理部
１０Ａ  補正部
１０Ｂ  温度分布計算部
１０Ｃ  係数演算部
１０Ｄ  係数データ取り込み部
１０Ｅ  参照光補正部
１１  表示部
１２  温度センサ
１３  温度変換部
２０  レーリー光
２１  ストークス光
２２  反ストークス光
３０  測定雰囲気
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示す概略構成図である。本実施の形態における光ファイバ温度分布測定システムは、光源１と、被測定光ファイバ２と、入射パルス光４を被測定光ファイバ２へ入射するとともに、被測定光ファイバ２の散乱点５において生じた後方散乱光６を光路変換し、出力光７として波長分離部８に出力するビームスプリッタ３と、ビームスプリッタ３から出力された光をストークス光と反ストークス光に分離する波長分離部８と、波長分離部８で分離されたストークス光を検出するストークス光検出部９Ａと反ストークス光を検出する反ストークス光検出部９Ｂとを有する信号検出部９と、入射パルス光４の入射タイミングと被測定光ファイバ２内の散乱点５において生じた後方散乱光６の検出タイミングとの時間差に基づき入射端から被測定光ファイバ２の散乱点（測定点）５までの距離を算出するとともに、信号検出部９により検出した信号から反ストークス光の受光強度を補正して被測定光ファイバ２の温度を計算する信号処理部１０と、信号処理部１０における計算結果等を表示する表示部１１とを備える。同図においては、被測定光ファイバ２が水素雰囲気中にある状態を示している。なお、本発明における光ファイバ温度分布測定装置とは、図１において、被測定光ファイバ２を除く、光源１、ビームスプリッタ３、波長分離部８、信号検出部９、信号処理部１０、および表示部１１から構成される部分を指す。また、光ファイバ温度分布測定システムとは、光ファイバ温度分布測定装置と被測定光ファイバ２を含む全体を指すものとする。【００４６】
図２から図４は、図１に示す光ファイバ温度分布測定システムでの温度測定手順を示すフローチャートであり、以下に、図２から図４を参照しつつ、ストークス光により反ストークス光の受光強度を補正する、被測定光ファイバの温度測定について説明する。【００４７】
まず、測定に使用する被測定光ファイバ２を水素のない雰囲気中（測定雰囲気３０において水素のない状態）にて光源１に接続し（Ｓ１）、光源１から被測定光ファイバ２に波長λの入射パルス光４を入射する（Ｓ２）。被測定光ファイバ２では、伝播の過程で散乱点５において生じた後方散乱光６（λ，λ＋Δλ，λ−Δλ）が現れ、入射端側に戻ってくる。ビームスプリッタ３は、後方散乱光６を光路変換して波長分離部８に出力する（Ｓ３）。【００４８】
波長分離部８は、後方散乱光６に含まれるストークス光（λ＋Δλ）と反ストークス光（λ−Δλ）とを分離して信号検出部９に出力する（Ｓ４）。信号検出部９は、ストークス光検出部９Ａにおいてストークス光を受光し、その受光強度ＩＳ０（ｘ）を検出する。ここでｘは入射端から散乱点５までの距離を示す。また、反ストークス光検出部９Ｂにおいて反ストークス光を受光し、その受光強度ＩＡＳ０（ｘ）を検出する（Ｓ５）。【００４９】
次に、被測定光ファイバ２を水素雰囲気中（測定雰囲気３０に水素が存在する状態）にて光源１に接続し（Ｓ６）、光源１から被測定光ファイバ２に波長λの入射パルス光４を入射する（Ｓ７）。入射パルス光４に基づいて被測定光ファイバ２のある散乱点５で生じた後方散乱光６（λ，λ＋Δλ，λ−Δλ）が現れ、入射端側に戻ってくる。ビームスプリッタ３は、後方散乱光６を光路変換して波長分離部８に出力する（Ｓ８）。【００５０】
波長分離部８は、後方散乱光６に含まれるストークス光（λ＋Δλ）と反ストークス光（λ−Δλ）とを分離して信号検出部９に出力する（Ｓ９）。信号検出部９は、ストークス光検出部９Ａにおいてストークス光を受光し、その受光強度ＩＳ１（ｘ）を検出する。また、反ストークス光検出部９Ｂにおいて反ストークス光を受光し、その受光強度ＩＡＳ１（ｘ）を検出する（Ｓ１０）。【００５１】
次に、水素分子によるストークス光の受光強度の変化量ΔＩＳ（ｘ）即ち、水素雰囲気中の被測定光ファイバ２によるストークス光の受光強度ＩＳ１（ｘ）と水素のない雰囲気中の被測定光ファイバ２によるストークス光の受光強度ＩＳ０（ｘ）との差を求める（ΔＩＳ（ｘ）＝ＩＳ１（ｘ）−ＩＳ０（ｘ））。同様に水素分子による反ストークス光の受光強度の変化量ΔＩＡＳ（ｘ）、即ち、水素雰囲気中の被測定光ファイバ２による反ストークス光の受光強度ＩＡＳ１（ｘ）と水素のない雰囲気中の被測定光ファイバ２による反ストークス光の受光強度ＩＡＳ０（ｘ）との差を求める（ΔＩＡＳ（ｘ）＝ＩＡＳ１（ｘ）−ＩＡＳ０（ｘ））。更に、水素分子によるストークス光の受光強度の変化量ΔＩＳ（ｘ）と反ストークス光の受光強度の変化量ΔＩＡＳ（ｘ）の比、
ΔＩＡＳ（ｘ）／ΔＩＳ（ｘ）＝ｋ  −−−−（８）
を求める（Ｓ１１）。
なお、ｋの値は、上記のようにストークス光と反ストークス光の受光強度の変化量から求めることができるが、図１８Ａおよび図１８Ｂならびに図１９Ａおよび図１９Ｂに示される、水素分子による光ファイバの光伝送損失増加量の波長依存性データから求めることもできる。【００５２】
次に、被測定光ファイバ２を、実際に測定を行う水素雰囲気中（実際に測定を行う測定雰囲気３０に水素がある状態）において光源１に接続し（Ｓ１２）、光源１から被測定光ファイバ２に波長λの入射パルス光４を入射する（Ｓ１３）。ビームスプリッタ３は、入射パルス光４に基づいて生じる後方散乱光６を光路変換して波長分離部８に出力し（Ｓ１４）、ストークス光と反ストークス光とを分離して信号検出部９に出力する（Ｓ１５）。信号検出部９は、ストークス光検出部９Ａにおいてストークス光を受光して受光強度ＩＳ（ｘ）を検出し、反ストークス光検出部９Ｂにおいて反ストークス光を受光して受光強度ＩＡＳ（ｘ）を検出する（Ｓ１６）。【００５３】
次に、信号処理部１０でストークス光と反ストークス光の受光強度に基づく信号を演算処理することにより、被測定光ファイバ２の温度を求める。
水素の影響を除いた反ストークス光の受光強度をＩＡＳ’（ｘ）とすると、
ＩＡＳ’（ｘ）＝ＩＡＳ（ｘ）−ΔＩＡＳ（ｘ）  −−−−（９）
（８）式より、ΔＩＡＳ（ｘ）＝ｋ・ΔＩＳ（ｘ）であるので、これを（９）式に代入し、
ＩＡＳ’（ｘ）＝ＩＡＳ（ｘ）−ｋ・ΔＩＳ（ｘ）  −−−−（１０）
また、ストークス光の水素分子による受光強度の変化量は、
ΔＩＳ（ｘ）＝ＩＳ１（ｘ）−ＩＳ０（ｘ）  −−−−（１１）
より求められるので、これを（１０）式に代入し、
ＩＡＳ’（ｘ）＝ＩＡＳ（ｘ）−ｋ・（ＩＳ１（ｘ）−ＩＳ０（ｘ））  −−−−（１２）
となり、ストークス光の受光強度の変化を用いて水素の影響を除いた反ストークス光の受光強度が得られる（Ｓ１７）。【００５４】
このようにして得られる補正された反ストークス光の受光強度は、前述したように被測定光ファイバ２中における散乱点５の絶対温度Ｔの関数となることから、（６）式に基づいて散乱点５の温度を正確に求めることができる（Ｓ１８）。【００５５】
図５Ａおよび図５Ｂは、反ストークス光の受光強度に基づく温度測定について示す特性図であり、図５Ａは反ストークス光の受光強度の補正を行わない温度測定結果を示し、図５Ｂは反ストークス光の受光強度の補正を行った温度測定結果を示す。ここでは、水素分圧０ＭＰａ、０．０４ＭＰａ、０．０７ＭＰａ、および０．０９ＭＰａにおける温度測定結果を示している。【００５６】
（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、水素のない雰囲気中および水素雰囲気中で被測定光ファイバ２の温度測定を行うことにより得られるストークス光と反ストークス光の受光強度に基づき、被測定光ファイバ２の水素分子吸収に基づく受光強度の変化量に対応する値（比）ｋが求められ、実際に測定を行う水素雰囲気中で被測定光ファイバ２に入射パルス光４を入射して得られる反ストークス光の受光強度を、ストークス光の受光強度を用いて補正することが可能になる。【００５７】
したがって、図５Ａの測定結果に示す水素分子による光伝送損失を含む温度測定結果から、図５Ｂの測定結果に示すように、測定環境における水素の影響を除いた正確な温度測定の結果を得ることができる。【００５８】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示す概略構成図である。第２の実施の形態は、ビームスプリッタ３から出力された光をストークス光、反ストークス光、およびレーリー光に分離する波長分離部８と、波長分離部８で分離されたストークス光を検出するストークス光検出部９Ａと、反ストークス光を検出する反ストークス光検出部９Ｂと、レーリー光を検出するレーリー光検出部９Ｃとを有する信号検出部９を有する点で、第１の実施の形態と相違している。図６においても、被測定光ファイバ２が水素雰囲気中にある状態を示している。なお、以下の説明では、第１の実施の形態と同一の構成および同様の機能を有する部分については共通の符号を付している。【００５９】
図７から図９は、図６に示す光ファイバ温度分布測定システムでの温度測定手順を示すフローチャートであり、以下に、図７から図９を参照しつつ、レーリー光の受光強度に基づきストークス光と反ストークス光の受光強度を補正する被測定光ファイバの温度測定について説明する。【００６０】
まず、測定に使用する被測定光ファイバ２を水素のない雰囲気中にて光源１に接続し（Ｓ２０）、光源１から被測定光ファイバ２に波長λの入射パルス光４を入射する（Ｓ２１）。被測定光ファイバ２では、ある散乱点５において伝播の過程で生じた後方散乱光６（λ，λ＋Δλ，λ−Δλ）が現れ、入射端側に戻ってくる。ビームスプリッタ３は、後方散乱光６を光路変換して波長分離部８に出力する（Ｓ２２）。【００６１】
波長分離部８は、後方散乱光６に含まれるストークス光（λ＋Δλ）、反ストークス光（λ−Δλ）およびレーリー光（λ）を分離して信号検出部９に出力する（Ｓ２３）。信号検出部９は、ストークス光検出部９Ａにおいてストークス光を受光し受光強度ＩＳ０（ｘ）を検出し、反ストークス光検出部９Ｂにおいて反ストークス光を受光し受光強度ＩＡＳ０（ｘ）を検出し、レーリー光検出部９Ｃにおいてレーリー光を受光し受光強度ＩＲ０（ｘ）を検出する（Ｓ２４）。【００６２】
次に、被測定光ファイバ２を水素雰囲気中にて光源１に接続し（Ｓ２５）、光源１から被測定光ファイバ２に波長λの入射パルス光４を入射する（Ｓ２６）。入射パルス光４に基づいて被測定光ファイバ２のある散乱点５で生じた後方散乱光６（λ，λ＋Δλ，λ−Δλ）が現れ、入射端側に戻ってくる。ビームスプリッタ３は、後方散乱光６を光路変換して波長分離部８に出力する（Ｓ２７）。【００６３】
波長分離部８は、後方散乱光６に含まれるストークス光（λ＋Δλ）、反ストークス光（λ−Δλ）およびレーリー光（λ）を分離して信号検出部９に出力する（Ｓ２８）。信号検出部９では、ストークス光検出部９Ａにおいてストークス光を受光し受光強度ＩＳ１（ｘ）を検出し、反ストークス光検出部９Ｂにおいて反ストークス光を受光し受光強度ＩＡＳ１（ｘ）を検出し、レーリー光検出部９Ｃにおいてレーリー光を受光し受光強度ＩＲ１（ｘ）を検出する（Ｓ２９）。【００６４】
次に、水素分子によるストークス光の受光強度の変化量ΔＩＳ（ｘ）即ち、水素雰囲気中の被測定光ファイバ２によるストークス光の受光強度ＩＳ１（ｘ）と水素のない雰囲気中の被測定光ファイバ２によるストークス光の受光強度ＩＳ０（ｘ）との差を求める（ΔＩＳ（ｘ）＝ＩＳ１（ｘ）−ＩＳ０（ｘ））。同様に水素分子によるレーリー光の受光強度の変化量ΔＩＲ（ｘ）、即ち、水素雰囲気中の被測定光ファイバ２によるレーリー光の受光強度ＩＲ１（ｘ）と水素のない雰囲気中の被測定光ファイバ２によるレーリー光の受光強度ＩＲ０（ｘ）との差を求める（ΔＩＲ（ｘ）＝ＩＲ１（ｘ）−ＩＲ０（ｘ））。更に、被測定光ファイバ２について、水素分子によるレーリー光の受光強度の変化量ΔＩＲ（ｘ）に対するストークス光の受光強度の変化量ΔＩＳ（ｘ）の比、
ΔＩＳ（ｘ）／ΔＩＲ（ｘ）＝ｌ  −−−−（１３）
を求める（Ｓ３０）。【００６５】
次に、水素分子による反ストークス光の受光強度の変化量ΔＩＡＳ（ｘ）即ち、水素雰囲気中の被測定光ファイバ２による反ストークス光の受光強度ＩＡＳ１（ｘ）と水素のない雰囲気中の被測定光ファイバ２による反ストークス光の受光強度ＩＡＳ０（ｘ）との差を求める（ΔＩＡＳ（ｘ）＝ＩＡＳ１（ｘ）−ＩＡＳ０（ｘ））。更に、被測定光ファイバ２について、水素分子によるレーリー光の受光強度の変化量ΔＩＲ（ｘ）に対する反ストークス光の受光強度の変化量ΔＩＡＳ（ｘ）の比、
ΔＩＡＳ（ｘ）／ΔＩＲ（ｘ）＝ｍ  −−−−（１４）
を求める（Ｓ３１）。【００６６】
次に、被測定光ファイバ２を実際に測定を行う水素雰囲気中にて光源１に接続し（Ｓ３２）、光源１から被測定光ファイバ２に波長λの入射パルス光４を入射する（Ｓ３３）。ビームスプリッタ３は、入射パルス光４に基づいて生じる後方散乱光６を光路変換して波長分離部８に出力し（Ｓ３４）、ストークス光、反ストークス光およびレーリー光を分離して信号検出部９に出力する（Ｓ３５）。信号検出部９は、ストークス光検出部９Ａにおいてストークス光を受光し受光強度ＩＳ（ｘ）を検出し、反ストークス光検出部９Ｂにおいて反ストークス光を受光し受光強度ＩＡＳ（ｘ）を検出し、レーリー光検出部９Ｃにおいてレーリー光を受光し受光強度ＩＲ（ｘ）を検出する（Ｓ３６）。【００６７】
次に、信号処理部１０でストークス光、反ストークス光およびレーリー光の受光強度に基づく信号を演算処理することにより、被測定光ファイバ２の温度を求める。
水素の影響を除いたストークス光の受光強度をＩＳ’（ｘ）とすると、
ＩＳ’（ｘ）＝ＩＳ（ｘ）−ΔＩＳ（ｘ）  −−−−（１５）
（１３）式より、ΔＩＳ（ｘ）＝ｌ・ΔＩＲ（ｘ）であるので、これを（１５）式に代入し、
ＩＳ’（ｘ）＝ＩＳ（ｘ）−ｌ・ΔＩＲ（ｘ）  −−−−（１６）
また、レーリー光の水素分子による受光強度の変化量は、
ΔＩＲ（ｘ）＝ＩＲ１（ｘ）−ＩＲ０（ｘ）  −−−−（１７）
より求められるので、これを（１６）式に代入し、
ＩＳ’（ｘ）＝ＩＳ（ｘ）−ｌ・（ＩＲ１（ｘ）−ＩＲ０（ｘ））  −−−−（１８）
となり、レーリー光の受光強度変化を用いて水素の影響を除いたストークス光の受光強度が得られる（Ｓ３７）。【００６８】
次に、水素の影響を除いた反ストークス光の受光強度をＩＡＳ’（ｘ）とすると、
ＩＡＳ’（ｘ）＝ＩＡＳ（ｘ）−ΔＩＡＳ（ｘ）  −−−−（１９）
（１４）式より、ΔＩＡＳ（ｘ）＝ｍ・ΔＩＲ（ｘ）であるので、これを（１９）式に代入し、
ＩＡＳ’（ｘ）＝ＩＡＳ（ｘ）−ｍ・ΔＩＲ（ｘ）  −−−−（２０）
また、レーリー光の水素分子による受光強度の変化量は、
ΔＩＲ（ｘ）＝ＩＲ１（ｘ）−ＩＲ０（ｘ）  −−−−（２１）
より求められるので、これを（２０）式に代入し、
ＩＡＳ’（ｘ）＝ＩＡＳ（ｘ）−ｍ・（ＩＲ１（ｘ）−ＩＲ０（ｘ））  −−−−（２２）
となり、レーリー光の受光強度の変化を用いて水素の影響を除いた反ストークス光の受光強度が得られる（Ｓ３８）。【００６９】
このようにして得られる補正されたストークス光と反ストークス光は、前述したように被測定光ファイバ２中における散乱点５の絶対温度Ｔの関数となることから、（５）式に基づいて散乱点５の温度を正確に求めることができる（Ｓ３９）。【００７０】
（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によれば、水素のない雰囲気中および水素雰囲気中で被測定光ファイバ２の温度測定を行うことにより得られるストークス光、反ストークス光およびレーリー光の受光強度に基づき被測定光ファイバ２の水素分子吸収による受光強度の変化量に対応する値（比）ｌ，ｍが求められるので、実際に測定を行う水素雰囲気中で被測定光ファイバ２に入射パルス光４を入射して得られる反ストークス光の受光強度とストークス光の受光強度をレーリー光の受光強度を用いて補正することが可能になる。レーリー光はストークス光、反ストークス光に比べて温度依存性が極めて少ないため、光ファイバの周囲温度に係わらず値（比）ｌ、ｍを適用することができる。また、本実施形態に基づく簡易的な形態として、ストークス光を利用せず、レーリー光と反ストークス光に基づき温度測定を行う実施形態も考えられる。【００７１】
（第３の実施の形態）
図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示す概略構成図である。第３の実施の形態では、受光強度の変化量を測定するための参照光として、温度測定用の光の波長λとは異なる波長λｒの光を使用する。具体的には、図１８Ａに示すように、１２４０ｎｍは水素分子による光伝送損失の増加が顕著に現れる波長であるため、波長１２４０ｎｍの光を参照光として使用する。第３の実施の形態は、被測定光ファイバ２にビームスプリッタ３を介して１２４０ｎｍ光を入射する１２４０ｎｍ光源１Ａと、温度測定用光源１Ｂと、ビームスプリッタ３から出力された光をストークス光、反ストークス光、および１２４０ｎｍ光に分離する波長分離部８と、波長分離部８で分離されたストークス光を検出するストークス光検出部９Ａと、反ストークス光を検出する反ストークス光検出部９Ｂと、１２４０ｎｍ光を検出する１２４０ｎｍ光検出部９Ｄとを有する信号検出部９を有する点で、第１の実施の形態と相違する。図１０においても、被測定光ファイバ２が水素雰囲気中にある状態を示している。【００７２】
図１１から図１３は、図１０に示す光ファイバ温度分布測定システムでの温度測定手順を示すフローチャートであり、以下に、図１１から図１３を参照しつつ、１２４０ｎｍ光のレーリー光に基づきストークス光および反ストークス光の受光強度を補正する、被測定光ファイバの温度測定について説明する。【００７３】
まず、測定に使用する被測定光ファイバ２を水素のない雰囲気中にて１２４０ｎｍ光源１Ａに接続し（Ｓ４０）、１２４０ｎｍ光源１Ａから被測定光ファイバ２に波長λｒ（＝１２４０ｎｍ）の入射パルス光４を入射する（Ｓ４１）。被測定光ファイバ２では、ある散乱点５において伝播の過程で生じた後方散乱光６（λｒ，λｒ＋Δλｒ，λｒ−Δλｒ）が現れ、入射端側に戻ってくる。ビームスプリッタ３は、後方散乱光６を光路変換して波長分離部８に出力する（Ｓ４２）。【００７４】
波長分離部８は、後方散乱光６に含まれる１２４０ｎｍ光のレーリー光を分離して信号検出部９に出力する（Ｓ４３）。信号検出部９では、１２４０ｎｍ光検出部９Ｄにおいて１２４０ｎｍ光のレーリー光を受光し、その受光強度ＩＲ’０（ｘ）を検出する（Ｓ４４）。【００７５】
次に、被測定光ファイバ２を水素のない雰囲気中にて温度測定用光源１Ｂに接続し（Ｓ４５）、温度測定用光源１Ｂから被測定光ファイバ２に波長λの入射パルス光４を入射する（Ｓ４６）。ビームスプリッタ３は、入射パルス光４の入射に基づいて被測定光ファイバ２の散乱点５において生じる後方散乱光６（λ，λ＋Δλ，λ−Δλ）を光路変換して波長分離部８に出力する（Ｓ４７）。【００７６】
波長分離部８は、後方散乱光６に含まれるストークス光（λ＋Δλ）と反ストークス光（λ−Δλ）を分離して信号検出部９に出力する（Ｓ４８）。信号検出部９は、ストークス光検出部９Ａにおいてストークス光を受光し受光強度ＩＳ０（ｘ）を検出し、反ストークス光検出部９Ｂにおいて反ストークス光を受光し受光強度ＩＡＳ０（ｘ）を検出する（Ｓ４９）。【００７７】
次に、測定に使用する被測定光ファイバ２を水素雰囲気中にて１２４０ｎｍ光源１Ａに接続し（Ｓ５０）、水素のない雰囲気中で行った操作と同様に被測定光ファイバ２へ波長λｒ（＝１２４０ｎｍ）の入射パルス光４を入射し、そのことに基づいて生じる後方散乱光６からレーリー光を分離して信号検出部９の１２４０ｎｍ光検出部９Ｄで１２４０ｎｍ光のレーリー光を受光し、その受光強度ＩＲ’１（ｘ）を検出する（Ｓ５１）。【００７８】
次に、測定に使用する被測定光ファイバ２を水素雰囲気中にて温度測定用光源１Ｂに接続し（Ｓ５２）、水素のない雰囲気中で行った操作と同様に被測定光ファイバ２へ波長λの入射パルス光４を入射し、そのことに基づいて生じる後方散乱光６からストークス光および反ストークス光を分離して信号検出部９に出力する。信号検出部９は、ストークス光検出部９Ａにおいてストークス光を受光し、その受光強度ＩＳ１（ｘ）を検出する。また、反ストークス光検出部９Ｂにおいて反ストークス光を受光し、その受光強度ＩＡＳ１（ｘ）を検出する（Ｓ５３）。【００７９】
次に、被測定光ファイバ２について、水素分子による１２４０ｎｍ光のレーリー光の受光強度の変化量ΔＩＲ’（ｘ）に対する波長λの入射パルス光４のストークス光の受光強度の変化量ΔＩＳ（ｘ）の比、
ΔＩＳ（ｘ）／ΔＩＲ’（ｘ）＝ｎ  −−−−（２３）
を求める（Ｓ５４）。【００８０】
次に、被測定光ファイバ２について、水素分子による１２４０ｎｍ光のレーリー光の受光強度の変化量ΔＩＲ’（ｘ）に対する波長λの入射パルス光４の反ストークス光の受光強度の変化量ΔＩＡＳ（ｘ）の比、
ΔＩＡＳ（ｘ）／ΔＩＲ’（ｘ）＝ｏ  −−−−（２４）
を求める（Ｓ５５）。【００８１】
次に、被測定光ファイバ２を実際に測定を行う水素雰囲気中において、１２４０ｎｍ光源１Ａに接続し（Ｓ５６）、１２４０ｎｍ光源１Ａから被測定光ファイバ２に波長λｒ（＝１２４０ｎｍ）の入射パルス光４を入射し、散乱点５で生じた後方散乱光６から１２４０ｎｍ光のレーリー光を分離して信号検出部９に出力する。信号検出部９は、１２４０ｎｍ光検出部９Ｄにおいて１２４０ｎｍ光のレーリー光を受光し、その受光強度ＩＲ’（ｘ）を検出する（Ｓ５７）。【００８２】
次に、被測定光ファイバ２を実際に測定を行う水素雰囲気中において、温度測定用光源１Ｂに接続し（Ｓ５８）、温度測定用光源１Ｂから被測定光ファイバ２に波長λの入射パルス光４を入射し、散乱点５で生じた後方散乱光６からストークス光と反ストークス光とを分離して信号検出部９に出力する。信号検出部９は、ストークス光検出部９Ａにおいてストークス光を受光し受光強度ＩＳ（ｘ）を検出し、反ストークス光検出部９Ｂにおいて反ストークス光を受光し受光強度ＩＡＳ（ｘ）を検出する（Ｓ５９）。【００８３】
次に、信号処理部１０で波長λの入射パルス光４のストークス光および反ストークス光と、１２４０ｎｍ光のレーリー光の受光強度に基づく信号を演算処理することにより、被測定光ファイバ２の温度を求める。
水素の影響を除いた波長λの入射パルス光４のストークス光の受光強度をＩＳ’（ｘ）とすると、
ＩＳ’（ｘ）＝ＩＳ（ｘ）−ΔＩＳ（ｘ）  −−−−（２５）
（２３）式より、ΔＩＳ（ｘ）＝ｎ・ΔＩＲ’（ｘ）であるので、これを（２５）式に代入し、
ＩＳ’（ｘ）＝ＩＳ（ｘ）−ｎ・ΔＩＲ（ｘ）  −−−−（２６）
また、１２４０ｎｍ光のレーリー光の光伝送損失量は、
ΔＩＲ’（ｘ）＝ＩＲ’１（ｘ）−ＩＲ’０（ｘ）  −−−−（２７）
より求められるので、これを（２６）式に代入し、
ＩＳ’（ｘ）＝ＩＳ（ｘ）−ｎ・（ＩＲ’１（ｘ）−ＩＲ’０（ｘ））  −−−−（２８）
となり、波長λの入射パルス光４のストークス光の受光強度を１２４０ｎｍ光のレーリー光の受光強度によって補正した値が得られる（Ｓ６０）。【００８４】
次に、水素の影響を除いた波長λの入射パルス光４の反ストークス光の受光強度をＩＡＳ’（ｘ）とすると、
ＩＡＳ’（ｘ）＝ＩＡＳ（ｘ）−ΔＩＡＳ（ｘ）  −−−−（２９）
（２４）式より、ΔＩＡＳ（ｘ）＝ｏ・ΔＩＲ’（ｘ）であるので、これを（２９）式に代入し、
ＩＡＳ’（ｘ）＝ＩＡＳ（ｘ）−ｏ・ΔＩＲ’（ｘ）  −−−−（３０）
また、１２４０ｎｍ光のレーリー光の光伝送損失量は、
ΔＩＲ’（ｘ）＝ＩＲ’１（ｘ）−ＩＲ’０（ｘ）  −−−−（３１）
より求められるので、これを（３０）式に代入し、
ＩＡＳ’（ｘ）＝ＩＡＳ（ｘ）−ｏ・（ＩＲ’１（ｘ）−ＩＲ’０（ｘ））  −−−−（３２）
となり、波長λの入射パルス光４の反ストークス光の受光強度を１２４０ｎｍ光のレーリー光の受光強度によって補正した値が得られる（Ｓ６１）。【００８５】
このようにして得られる補正されたストークス光と反ストークス光は、前述したように被測定光ファイバ２中における散乱点５の絶対温度Ｔの関数となることから、（５）式に基づいて散乱点５の温度を正確に求めることができる（Ｓ６２）。【００８６】
（第３の実施の形態の効果）
第３の実施の形態によれば、水素のない雰囲気中および水素雰囲気中で被測定光ファイバ２の温度測定を行うことにより得られる波長λの入射パルス光４のストークス光および反ストークス光の受光強度と１２４０ｎｍ光のレーリー光の受光強度に基づき、被測定光ファイバ２の水素分子吸収に基づく受光強度の変化量に応じた値（比）ｎ，ｏが求められる。したがって、実際に測定を行う水素雰囲気中で被測定光ファイバ２に波長λの入射パルス光４を入射することに基づいて得られる反ストークス光の受光強度とストークス光の受光強度とを、１２４０ｎｍ光のレーリー光の受光強度に基づいて補正することが可能になる。図１８Ａに示すように、１２４０ｎｍ光は水素分子による光伝送損失の増加が顕著に現れる波長なので、感度良く補正することができる。【００８７】
また、本実施形態に基づく簡易的な形態として、波長λの入射パルス光４のストークス光を利用せず、１２４０ｎｍ光のレーリー光と波長λの入射パルス光４の反ストークス光に基づき温度測定を行う実施形態も考えられる。さらに、本実施の形態では、１２４０ｎｍ光源１Ａと温度測定用光源１Ｂを別々の光源として構成しているが、１２４０ｎｍ光源と温度測定用光源を備えた単一の光源ユニットを被測定光ファイバ２に接続し、２つの光源を切り替えるように構成することもできる。また、温度測定用光源１Ｂの波長を変化させ、１２４０ｎｍ光と温度測定用の他の波長の光信号を時分割で連続して被測定光ファイバ２に入射するように構成することもできる。【００８８】
（第４の実施の形態）
図２０は第４の実施の形態に係る光ファイバ温度分布計測システムを示す概略構成図である。第４の実施の形態は、ビームスプリッタ３から出力された光を参照光および反ストークス光に分離する波長分離部８と、波長分離部８で分離された参照光を検出する参照光検出部９Ｅを更に有する信号処理部９とを、反ストークス光の受光強度を用いて被測定光ファイバ２の温度分布を計算する信号処理部１０とを備え、信号処理部１０は被測定光ファイバ２の水素分子吸収による参照光の受光強度の変化量を測定地点毎に算出し、反ストークス光の受光強度に対して、参照光の受光強度の変化量に基づいて計算された水素分子吸収損失の影響による反ストークス光の受光強度の変化量を各測定地点に加算する補正を行う補正部１０Ａと、補正された反ストークス光の受光強度に基づき温度分布の計算をする温度分布計算部１０Ｂとを有する点で、第１の実施の形態と相違している。図２０においても、被測定光ファイバ２が水素雰囲気中にある状態を示している。【００８９】
ここで、「水素分子吸収損失の影響に応じた反ストークス光の受光強度の変化量を加算する補正」とは、
ＩＡＳ’（ｘ）＝ＩＡＳ（ｘ）−ΔＩＡＳ（ｘ）  −−−−（３３）
であって、
ＩＡＳ’（ｘ）＝ＩＡＳ（ｘ）−ｐ・ΔＩＲｆ（ｘ）  −−−−（３４）
（ｐは定数、ΔＩＲｆ（ｘ）＝ＩＲｆ１（ｘ）−ＩＲｆ０（ｘ））
に基づく補正を意味する。ここで、ΔＩＲｆ（ｘ）は参照光の受光強度の変化量であり、水素のない雰囲気中の被測定光ファイバ２の参照光の受光強度ＩＲｆ０（ｘ）と水素雰囲気中の被測定光ファイバ２の参照光の受光強度ＩＲｆ１（ｘ）の差から求められる。上記の通り、水素分子吸収損失の影響による反ストークス光の受光強度の変化量ΔＩＡＳ（ｘ）は、水素分子吸収損失による参照光の受光強度の変化量ΔＩＲｆ（ｘ）に係数ｐを乗じて算出することができる。なお、第１の実施の形態と同一の構成および同様の機能を有する部分について共通の符号を付している。また、参照光とは、温度測定用光源１から入射する入射パルス光４の反ストークス光以外の光であって、ストークス光、レーリー光、あるいは他の波長の光（例えば１２４０ｎｍの光）を意味する。【００９０】
また、信号処理部１０は、水素分子吸収による反ストークス光の受光強度の変化量ΔＩＡＳ（ｘ）を水素分子吸収による参照光の受光強度の変化量ΔＩＲｆ（ｘ）で割って係数ｐを計算する係数演算部１０Ｃを更に有してもよい。また、第４の実施の形態は、他の各実施の形態について適用してもよい。【００９１】
（第５の実施の形態）
図２１は、本発明の第５の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示す概略構成図である。第５の実施の形態は、水素雰囲気中にある被測定光ファイバ２の近傍に設置され、被測定光ファイバ２の温度を測定する１個または複数個の温度センサ１２と、温度センサ１２からの信号を温度に変換する温度変換部１３を更に有する点で、第４の実施の形態と相違する。図２１においても、被測定光ファイバ２が水素雰囲気中にある状態を示している。なお、第４の実施の形態と同一の構成および同様の機能を有する部分について共通の符号を付している。【００９２】
第５の実施の形態において、補正部１０Ａは、水素分子による参照光の受光強度の変化量ΔＩＲｆ（ｘ）に所定の係数ｐを乗じて水素分子による反ストークス光の受光強度の変化量ΔＩＡＳ（ｘ）を算出し、算出結果に基づき反ストークス光の受光強度を補正する。温度分布計算部１０Ｂは、補正された反ストークス光の受光強度に基づいて、測定地点における被測定光ファイバ２の温度を計算する。温度センサ１２は、被測定光ファイバ２の測定地点における温度を測定し、温度変換部１３に温度を示す信号を有線または無線により温度変換部１３に送信する。温度変換部１３は、温度センサ１２から受信した信号を温度に変換する。係数演算部１０Ｃは、温度センサ１２で測定した被測定光ファイバ２の温度と温度分布計算部１０Ｂで計算した被測定光ファイバ２の温度の計算結果が一致するように、補正のための係数ｐを算出する。【００９３】
第５の実施の形態では、被測定光ファイバ２の近傍に設置された温度センサ１２が検出した光ファイバ２の測定温度に基づいて係数ｐを算出するため、実際の温度測定の前に水素のない雰囲気中と水素雰囲気中で反ストークス光および参照光の受光強度の変化を測定し、これらの測定結果に基づき係数ｐを算出することなく、被測定光ファイバ２の温度測定を行うことができる。したがって、光源１の出力波長の変化等に起因して係数ｐの値が変化する場合でも、その影響を受けることなく、反ストークス光の受光強度の正確な補正を行うことができる。また、複数の温度センサ１２を設けることにより、被測定光ファイバ２の各測定地点間の温度差が大きい場合であっても、高精度の補正を行うことができる。また、第５の実施の形態は、他の各実施の形態について適用してもよい。【００９４】
（第６の実施の形態）
図２２は、第６の実施の形態に係る光ファイバ温度分布計測システムを示す概略構成図である。第６の実施の形態は、信号処理部１０が、反ストークス光の受光強度に対して、水素分子による参照光の受光強度の変化量に基づいて計算された水素分子による反ストークス光の受光強度の変化量を測定地点毎に加算する際に、補正に用いる係数ｐを外部から入力する係数データ取り込み部１０Ｄを更に有する点で、第４の実施の形態と相違している。図２２においても、被測定光ファイバ２が水素雰囲気中にある状態を示している。なお、第４の実施の形態と同一の構成および同様の機能を有する部分について共通の符号を付している。また、第６の実施の形態は、他の各実施の形態について適用してもよい。【００９５】
（第７の実施の形態）
図２３は、第７の実施の形態に係る光ファイバ温度分布計測システムを示す概略構成図である。ストークス光は反ストークス光の温度依存性よりは低いが温度依存性を有する。このため、（１１）式において、水素のない雰囲気中のストークス光の受光強度ＩＳ０（ｘ）と水素雰囲気中のストークス光の受光強度ＩＳ１（ｘ）を測定する際に、被測定光ファイバ２の周囲温度に差がある場合、この周囲温度の差に起因するストークス光の受光強度の差によって、（１１）式により算出されたストークス光の受光強度の変化量に誤差を生ずる。しかし、（１１）式により算出されたストークス光の受光強度の変化量から、この周囲温度の差に起因する受光強度の差を差し引くことにより、誤差の問題を解決することができる。【００９６】
第７の実施の形態は、信号処理部１０が、被測定光ファイバ２の周囲温度の差による参照光の受光強度の変化量を決定し、参照光の受光強度に対して、被測定光ファイバ２の各測定地点において、周囲温度の差による参照光の受光強度の変化量を加算する参照光補正部１０Ｅを更に有する点で、第４の実施の形態と相違する。図２３においても、被測定光ファイバ２が水素雰囲気中にある状態を示している。なお、第４の実施の形態と同一の構成および同様の機能を有する部分について共通の符号を付している。【００９７】
第７の実施の形態において、被測定光ファイバ２の周囲温度の差による参照光の受光強度の変化量は以下のように求めることができる。まず、初回の温度分布の測定を、被測定光ファイバ２に水素分子が拡散しておらず水素分子吸収の影響の少ない段階で行う。次に、２回目の温度分布の測定の際には、初回の温度分布の測定で得られた結果に基づいて、周囲温度の差による参照光の受光強度の変化量を決定する。更に、次回以降の測定では、前回の温度分布の測定で得られた結果に基づいて温度差による参照光の受光強度の変化量を決定し、同様の工程を繰り返すことができる。【００９８】
また、最新の温度分布の測定の結果、参照光の受光強度を測定する被測定光ファイバ２の周囲温度が信号処理部１０で設定した周囲温度と異なることが判明した場合には、最新の測定温度に基づいて参照光の受光強度を測定する際の周囲温度を設定する。更に、予め測定された、周囲温度と周囲温度の差による参照光の受光強度の変化量の関係データに基づいて、周囲温度の差による参照光の受光強度の変化量を補正する。この補正された参照光の受光強度に基づいて、再度、被測定光ファイバ２の温度分布を測定する。【００９９】
なお、水素分子吸収の影響の少ない雰囲気中では従来技術によって温度を測定することができるため、この測定温度を周囲温度の差による参照光の受光強度の変化量を補正する際の初期温度とすることができる。また、参照光補正部１０Ｅは、第５および第６の実施形態においても適用することができる。【０１００】
第１から第７の実施の形態において使用される温度測定用光源の光源波長は、８５０ｎｍ帯、１０６０ｎｍ帯、１３００ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯等があるが、本発明はこれらの波長に限定されるものではない。【０１０１】
なお、第１から第７の実施の形態において使用される被測定光ファイバ２としては、種々の光ファイバを使用することができるが、特に、純石英コアファイバを使用することが好ましい。
水素雰囲気中においては水素分子の拡散による光伝送損失の増加に加えて、前述の参考文献（N. Uchida and N. Uesugi, “Infrared Optical Loss Increase in Silica Fibers due to Hydrogen”, J. Lightwave Technol., Vol LT-4, No.8, pp.1132-1138, Aug. 1986.）にも開示されている通り、水素分子と光ファイバの中のガラス欠陥との化学反応の結果、ＯＨ基形成に起因するＯＨ基吸収損失等の吸収損失が増加するという課題がある。これらの吸収損失による誤差に対しては、本発明による受光強度の補正は有効ではない。一方、純石英コアファイバではこれらの吸収損失の増加がほとんど発生しないことが知られている。このことは、例えば、参考文献（H. Kanamori et al “Transmission Characteristics and Reliability of Pure-Silica-Core Single-Mode Fibers”, J. Lightwave Technol., Vol LT-4, No.8, pp.1144-1150, Aug. 1986. ）などに開示されている。したがって、水素と化学反応しない純石英コアファイバを用いることで、水素分子と光ファイバとの化学反応の結果生じる吸収損失を防ぐことができるので、水素分子吸収の影響を補正する本発明の温度分布測定システム用ファイバとして純石英コアファイバを適用することは有効である。
したがって、本発明の温度分布測定システムに純石英コアファイバを使用した場合には、他の光ファイバを使用した場合に比べて、より誤差を低減できるという効果がある。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明の光ファイバ温度分布測定装置、光ファイバ温度分布測定方法および光ファイバ温度分布測定システムによると、水素雰囲気中におけるストークス光および反ストークス光の水素分子による光伝送損失を補正することができるので、水素雰囲気中であっても正確な温度測定が可能になる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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