(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバに光パルスを出射する光源と、
前記光ファイバからのラマン散乱光を受光して電気信号に変換する受光部と、
前記電気信号に加算するオフセット電圧を発生するオフセット電圧発生部と、
前記オフセット電圧が加算された前記電気信号に応じたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、
前記ＡＤ変換器によって変換された複数個の前記デジタル信号を平均化する平均化回路と、
前記平均化された信号に基づいて前記光ファイバの温度分布を演算する演算部と、を備え、
前記光源が出射する光パルスは、ゴーレイ符号を用いて符号変調されたＮ種類の符号列を１単位とした光パルス列であり、
前記オフセット電圧発生部は、前記符号列の単位に同期させて前記オフセット電圧を変化させることを特徴とする温度分布測定器。
【請求項２】
前記受光部および前記ＡＤ変換器は、ラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光に対応して備えられていることを特徴とする請求項１に記載の温度分布測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバにパルス光を入射したときに発生するラマン散乱光を用いて温度分布を測定する温度分布測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバにパルス光を入射したときに発生するラマン散乱光を用いて温度分布を測定する温度分布測定器が知られている。図６は、従来の温度分布測定器の構成を示すブロック図である。本図に示すように温度分布測定器３００は、センサ用光ファイバ２００、パルス発生部３１０、光源３２０、方向性結合器３３０、フィルタ３４０、受光部３５０、受光部３５１、増幅器３５２、増幅器３５３、ＡＤ変換器３５４、ＡＤ変換器３５５、平均化回路３６０、演算部３７０を備えている。
【０００３】
温度分布測定器３００では、パルス発生部３１０が発生するパルス信号に基づいて、光源３２０から光パルスがセンサ用光ファイバ２００に出射され、光パルスの後方散乱光がセンサ用光ファイバ２００から戻ってくる。
【０００４】
図７に示すように、波長λ０の入射光の後方散乱光には、波長λ０のレイリー散乱光、波長λ０±数１０ｎｍのラマン散乱光、波長λ０±数ｎｍのブリルアン散乱光などが含まれる。温度分布測定器３００は、これらの後方散乱光のうち、温度依存性が高いラマン散乱光を利用する。
【０００５】
本図に示すように、ラマン散乱光には、光パルスの波長に対して短い波長側に発生するアンチストークス光と、長い波長側に発生するストークス光があり、その強度比は、温度変化に比例して変化する。温度分布測定器３００は、この特性を利用して、センサ用光ファイバ２００によって対象物の温度分布を測定する。
【０００６】
温度分布測定器３００は、方向性結合器３３０、フィルタ３４０を用いてストークス光とアンチストークス光を抽出し、受光部３５０、受光部３５１で受光する。ストークス光は、受光部３５０で電気信号に変換され、増幅器３５２、ＡＤ変換器３５４を経て平均化回路３６０に入力される。アンチストークス光は、受光部３５１で電気信号に変換され、増幅器３５３、ＡＤ変換器３５５を経て平均化回路３６０に入力される。
【０００７】
後方散乱光は微弱であるため、光パルスの出射によるストークス光、アンチストークス光の測定は多数回繰り返し行ない、平均化回路３６０で、それぞれの測定結果を平均化することにより、温度測定分解能を上げるようにしている。そして、演算部３７０で、平均化されたストークス光とアンチストークス光の強度比が演算される。
【０００８】
パルス光に対するストークス光とアンチストークス光の強度の時間変化は、センサ用光ファイバ２００の経路長に対応するため、演算部３７０の演算によりセンサ用光ファイバ２００が検出した温度分布を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−３４９７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ストークス光強度とアンチストークス光強度に対応したアナログ信号は、ＡＤ変換器３５４、ＡＤ変換器３５５でそれぞれデジタル化されるが、ＡＤ変換器３５４、ＡＤ変換器３５５が、リニアリティ誤差を有していると、測定結果の温度に誤差が生じ、特に、２地点の温度差を高精度に測定するような場合に問題が発生する。
【００１１】
図８は、均一の温度分布を有する対象物を測定したときに、Ａ／Ｄ変換器のリニアリティ誤差の影響を受けた場合の測定結果例を示している。本来であれば、すべての距離で均一の温度分布になるべきであるが、測定結果では温度がばらついている。
【００１２】
そこで、本発明は、温度分布測定器において、ＡＤ変換器のリニアリティ誤差の影響を軽減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の温度分布測定器は、光ファイバに光パルスを出射する光源と、前記光ファイバからのラマン散乱光を受光して電気信号に変換する受光部と、前記電気信号に加算するオフセット電圧を発生するオフセット電圧発生部と、前記オフセット電圧が加算された前記電気信号に応じたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器によって変換された複数個の前記デジタル信号を平均化する平均化回路と、前記平均化された信号に基づいて前記光ファイバの温度分布を演算する演算部と、を備え、前記光源が出射する光パルスは、ゴーレイ符号を用いて符号変調されたＮ種類の符号列を１単位とした光パルス列であり、前記オフセット電圧発生部は、前記符号列の単位に同期させて前記オフセット電圧を変化させることを特徴とする。
【００１４】
本発明では、オフセット電圧を加えた信号を用いてデジタル変換を行なった値を平均化するため、ＡＤ変換器のリニアリティ誤差の影響が分散されることになる。したがって、ＡＤ変換器のリニアリティ誤差の影響が軽減される。
【００１５】
ここで、前記受光部および前記ＡＤ変換器は、ラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光に対応して備えることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、温度分布測定器において、ＡＤ変換器のリニアリティ誤差の影響を軽減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係る温度分布測定器の構成を示すブロック図である。
【図２】オフセット電圧発生部が発生するオフセット電圧を説明する図である。
【図３】オフセット電圧を用いた場合の効果を説明する図である。
【図４】本実施形態の温度分布測定器の測定結果例を示す図である。
【図５】本実施形態の変形例を示す図である。
【図６】温度分布測定器の構成を示すブロック図である。
【図７】後方散乱光について説明する図である。
【図８】Ａ／Ｄ変換器のリニアリティ誤差の影響を受けた測定結果例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る温度分布測定器の構成を示すブロック図である。本図に示すように温度分布測定器１００は、従来と同様に、センサ用光ファイバ２００、パルス発生部１１０、光源１２０、方向性結合器１３０、フィルタ１４０、受光部１５０、受光部１５１、増幅器１５２、増幅器１５３、ＡＤ変換器１５４、ＡＤ変換器１５５、平均化回路１６０、演算部１７０を備え、さらに、本実施形態の特徴部分として、オフセット電圧発生部１８０、加算器１９０、加算器１９１を備えている。
【００１９】
本実施形態において、センサ用光ファイバ２００は、ＧＩ型石英系マルチモード光ファイバが用いられており、対象物からの温度が効率よく伝わるよう敷設されているものとする。
【００２０】
オフセット電圧発生部１８０は、図２（ａ）に示すように、光パルスの出射毎に値が変化するオフセット電圧を発生させる。オフセット電圧はなるべくランダムに変化するような任意の値とすることができる。ただし、図２（ｂ）に示すように、Ｎ回のパルス出射によって光強度の平均値算出を算出する場合、オフセット値が光強度の平均値に表れるのを防ぐために、平均値算出期間でオフセット値の総和（平均値）がゼロになるように発生させる。
【００２１】
オフセット電圧発生部１８０が発生させたオフセット値は、加算器１９０により受光部１５０が出力するストークス光信号に加算され、加算器１９１によって受光部１５１が出力するアンチストークス光信号に加算される。これにより、ＡＤ変換器１５４、ＡＤ変換器１５５がリニアリティ誤差を有していても、その影響が分散されることになる。
【００２２】
なお、オフセット電圧発生部１８０が発生させるオフセット電圧は、それぞれの総和がゼロであれば、ストークス光に対する値と、アンチストークス光に対する値とが異なっていてもよい。
【００２３】
この構成により、温度分布測定器１００は、以下のような動作を行なう。すなわち、パルス発生部１１０が発生するパルス信号に基づいて光源１２０から光パルスがセンサ用光ファイバ２００に出射され、光パルスの後方散乱光がセンサ用光ファイバ２００から連続的に戻ってくる。
【００２４】
後方散乱光は、方向性結合器１３０によってフィルタ１４０に導かれ、フィルタ１４０によって、ストークス光と、アンチストークス光に分離される。ストークス光は、受光部１５０で電気信号に変換され、加算器１９０によりオフセット電圧発生部１８０が出力するオフセット電圧が加算される。そして、増幅器１５２で増幅され、ＡＤ変換器１５４によってデジタル変換されて平均化回路１６０に入力される。
【００２５】
アンチストークス光は、受光部１５１で電気信号に変換され、加算器１９１によりオフセット電圧発生部１８０が出力するオフセット電圧が加算される。そして、増幅器１５３で増幅され、ＡＤ変換器１５５によってデジタル変換されて平均化回路１６０に入力される。
【００２６】
後方散乱光は微弱なため、光パルスの出射によるストークス光、アンチストークス光の測定はＮ回繰り返され、平均化回路１６０で、それぞれＮ回の測定結果が平均化される。このとき、光パルスの出射毎に、オフセット電圧発生部１８０は、最終的に総和がゼロになるようにオフセット電圧値をランダムに変化させる。なお、測定の繰り返し回数Ｎは、例えば、２の１７乗以上程度の大きい値とすることができる。
【００２７】
そして、演算部１７０で、平均化されたストークス光とアンチストークス光の強度比が距離ごとに演算され、センサ用光ファイバ２００が敷設された対象物の温度分布を得ることができる。
【００２８】
このように、本実施形態の温度分布測定器１００では、ＡＤ変換器１５４、ＡＤ変換器１５５への入力信号として、ストークス光信号、アンチストークス信号に様々な値のオフセット電圧を加算した信号を用いることにより、ＡＤ変換器１５４、ＡＤ変換器１５５のリニアリティ誤差の影響が分散されることになる。この結果、ＡＤ変換器１５４、ＡＤ変換器１５５のリニアリティ誤差による温度分布測定への影響を少なくすることができる。
【００２９】
例えば、図３（ａ）に示す光パルス信号の出射によって、図３（ｂ）に示すようなストークス光あるいはアンチストークス光が得られる場合に、図３（ｂ）中の領域ａで示す電圧範囲で、ＡＤ変換器１５４あるいはＡＤ変換器１５５のリニアリティ誤差が発生すると仮定すると、温度分布が均一であっても、ばらついた測定結果が得られてしまう。
【００３０】
そこで、図３（ｃ）に示すようなオフセット電圧を加えた信号を用いてデジタル変換を行なって平均化すると、図３（ｄ）に示すように、ＡＤ変換器１５４、ＡＤ変換器１５５のリニアリティ誤差の影響が分散されることになる。しかも、オフセット電圧の総和はゼロとなるため、平均化された値は、オフセット電圧の影響は受けないことになる。
【００３１】
この結果、温度分布が均一な対象物を測定した場合、図４に示すように、ばらつきの少ない、精度の高い温度分布測定結果を得ることができる。
【００３２】
次に、本実施形態の変形例について説明する。上述の実施形態では、単一の光パルスを出射して後方散乱光を測定する場合について説明した。近年では、測定結果の温度分解能を高めるために、ゴーレイ符号（Golay code）を用いて符号変調した光パルス列をセンサ用光ファイバに出射し、センサ用光ファイバからの後方散乱光を受光して得られる受光信号に対して相関処理（復調）を施して温度分布を算出する温度分布測定器が実用化されている。本発明は、このような温度分布測定器にも適用することができる。
【００３３】
本実施形態の変形例における温度分布測定器では、光パルス列がゴーレイ符号を用いて符号変調された光パルス列となるように、パルス発生部１１０が、光源１２０にパルス信号を出力する。ここで、ｎビット（例えば、６４ビット）のゴーレイ符号は、２種類の符号列Ａ０：ａ１，ａ２，ａ３…ａｎ、Ｂ０：ｂ１，ｂ２，ｂ３…ｂｎであり、それぞれ（−１）と（＋１）の要素からなる双極性相関符号である。
【００３４】
ただし、光は負のパワーを有さないため、温度分布測定器は、Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−の４種類の符号列を用いて変調する。ここで、Ａ＋＝（１＋Ａ０）／２、Ｂ＋＝（１＋Ｂ０）／２、Ａ−＝（１−Ａ０）／２、Ｂ−＝（１−Ｂ０）／２である。そして、それぞれの変調時に受信した信号Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ｂ−）と、変調コードの符号列（Ａ０，Ｂ０）とを用いて、「数１」に示す式による相互相関を取ることで信号強度を演算する。
【数１】
0005534095.tif 000002
なお、ゴーレイ符号のより詳細な内容については、必要であれば、Nazarathy Moshe，Newton Steven A.，Giffard R. P.，Moberly D. S.，Sischka F.，Trutna W. R. Jr.，Foster S.，"Real-time long range complementary correlation optical time domain reflectometer"，Journal of Lightwave Technology，１９８９年１月，Ｖｏｌ．７，ｐ．２４−３８を参照されたい。また、ゴーレイ符号の他に、例えば、バーカー符号（Barker code）を用いることもできる。
【００３５】
温度分布測定器が、ゴーレイ符号を用いて符号変調された光パルス列を出射する場合、「数１」における受信信号Ｓ（Ｘ±）にオフセット値が加算されていたとしても、４種類のパルス列送信で同じオフセット値であれば、「数１」から導かれるように、そのオフセット分は差し引かれることになり、最終的な結果には影響しないことになる。
【００３６】
このため、上述の実施形態では、オフセット値の総和をゼロにする必要があったが、ゴーレイ符号を用いて符号変調された光パルス列を出射する場合は、オフセット値の総和をゼロにする必要がなくなる。
【００３７】
したがって、図５に示すように、４種類の符号列による光パルス列を１単位として、その単位に同期させてオフセット電圧を任意に変化させれば足りる。
【符号の説明】
【００３８】
１００…温度分布測定器、１１０…パルス発生部、１２０…光源、１３０…方向性結合器、１４０…フィルタ、１５０…受光部、１５１…受光部、１５２…増幅器、１５３…増幅器、１５４…ＡＤ変換器、１５５…ＡＤ変換器、１６０…平均化回路、１７０…演算部、１８０…オフセット電圧発生部、１９０…加算器、１９１…加算器、２００…センサ用光ファイバ
【図１】
0005534095.tif 000003
【図２】
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【図３】
0005534095.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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