(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ中で発生するラマン散乱光強度の温度依存性を利用して光ファイバに沿った温度分布を求める光ファイバ式温度分布測定装置の入射光量設定方法において、温度分布測定用光ファイバ中で誘導ラマン散乱が発生する入射光量以上の入射光量を設定すると共にその設定した入射光量でのストークス光のＯＴＤＲ波形を求めると共にその波形から誘導ラマンが発生していない地点と発生している地点のストークス光受光量をそれぞれ求めた後、上記設定した入射光量を所定量増やした入射光量での誘導ラマンが発生していない地点と発生している地点のストークス光受光量を求め、設定した入射光量と所定量増やした入射光量に基づく、誘導ラマンが発生していない地点と発生している地点のストークス光受光量から誘導ラマン散乱発生量を求め、当該誘導ラマン発生量を、予め求めておいた光ファイバの伝送損失で規格化した規格化入射光量と誘導ラマン散乱発生量との関係式に当てはめて誘導ラマン散乱の発生しない入射光量を求め、その入射光量を基に、温度分布測定を行うことを特徴とする光ファイバ式温度分布測定方法。
【請求項２】
光ファイバ中で発生するラマン散乱光強度の温度依存性を利用して光ファイバに沿った温度分布を求める光ファイバ式温度分布測定装置において、温度分布測定用光ファイバ中で誘導ラマン散乱が発生する入射光量以上の入射光量を所定量変えて設定する入射光量調整部と、その所定量入射光量を変えたときのストークス光のＯＴＤＲ波形から誘導ラマンが発生していない地点と発生している地点のストークス光受光量を求めると共に、これら受光量から誘導ラマン散乱発生量を求め、当該誘導ラマン散乱発生量を、予め求めて入力された光ファイバの伝送損失で規格化した規格化入射光量と誘導ラマン散乱発生量との関係式に当てはめて誘導ラマン散乱の発生しない入射光量を求める設定入射光量判定部と、その設定入射光量判定部で設定された入射光量で、温度分布を測定する信号処理部とを備えたことを特徴とする光ファイバ式温度分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光ファイバを温度センサとして光ファイバに沿った温度分布を測定する光ファイバ式温度分布測定装置に係わり、特に、光ファイバ中で発生するラマン散乱光強度の温度依存性を利用するラマン散乱光利用方式でのセンサ用光ファイバへの適正入射光量を設定して温度分布を測定する光ファイバ式温度分布測定方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ中で発生するラマン散乱光強度の温度依存性を利用した従来の光ファイバ式温度分布測定装置を図６の構成図を基に説明する。
【０００３】
パルス光源１で発生した波長λ０のパルス光は、光分波器２を介してセンサ用光ファイバ３に入射する。センサ用光ファイバ３中の各点で発生したラマン散乱光のうち、光ファイバ式温度分布測定装置１０側にもどってきたものを光分波器２でラマン散乱光の２成分である波長λｓのストークス光（入射光波長より長波長）と波長λａのアンチ・ストークス光（入射光より短波長）に分波し、それぞれストークス光、及び、アンチ・ストークス光の受光・サンプリング・平均化処理回路４Ｓ，４Ａで処理することにより、パルス光がセンサ用光ファイバ３に入射する時刻を基準としたストークス光、及び、アンチ・ストークス光強度を時間の関数として求める。センサ用光ファイバ３中の光速を用いてこれらをセンサ用光ファイバ３に沿った距離の関数として置き換えることができ、また、センサ用光ファイバ３中で発生するストークス光、及び、アンチ・ストークス光はこれらの散乱光の発生地点の温度と(１) 式の関係にあるので(１) 式を解いてこれらの散乱光発生地点での温度を求めることができる。これらの処理を信号処理部５で行うことにより、センサ用光ファイバ３に沿った温度分布を求めることができる。
【０００４】
Ｔ（ｘ）＝ｆ｛Ｉｓ（ｘ）／Ｉａ（ｘ）｝                     (１)
【０００５】
Ｔ（ｘ）：ｘ地点の温度
【０００６】
Ｉｓ（ｘ）：ｘ地点でのストークス光発生量
【０００７】
Ｉａ（ｘ）：ｘ地点でのアンチ・ストークス光発生量
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
センサ用光ファイバ３への入射光量が大きいほど、測定信号のＳ／Ｎが向上し、正確な温度分布測定が行えるため、センサ用光ファイバ３への入射光量は大きい方が好ましいと考えられる。しかし、入射光量が大きすぎるとセンサ用光ファイバ３中で非線形現象である誘導ラマン散乱がストークス光の波長で発生し、正確な温度分布測定を行う上で障害となる。そこで、誘導ラマン散乱が発生しないぎりぎりの入射光量に設定して測定を行えば、最もＳ／Ｎが良く温度分布測定を行うことができることになる。
【０００９】
しかし、温度分布測定では１℃の分解能がストークス光の信号変化量で約０．０１ｄＢと小さいため、温度分布測定に影響する誘導ラマン散乱が発生しているかどうかを温度分布測定結果から判断することは難しかった。このため、入射光量の設定は余裕をみて、低めに設定していた。したがって、入射光量を誘導ラマン散乱が発生しないぎりぎりのレベルに設定した場合よりも測定信号のＳ／Ｎが小さい状態で温度分布測定を行っていた。
【００１０】
本発明の目的は、誘導ラマン散乱の発生しないぎりぎりの入射光量への設定及び高いＳ／Ｎでの高精度の温度分布測定を容易に行えるような入射光量設定方法を提供し、また、この手法を導入した光ファイバ式温度分布測定装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、光ファイバ中で発生するラマン散乱光強度の温度依存性を利用して光ファイバに沿った温度分布を求める光ファイバ式温度分布測定装置の入射光量設定方法において、温度分布測定用光ファイバ中で誘導ラマン散乱が発生する入射光量以上の入射光量を設定すると共にその設定した入射光量でのストークス光のＯＴＤＲ波形を求めると共にその波形から誘導ラマンが発生していない地点と発生している地点のストークス光受光量をそれぞれ求めた後、上記設定した入射光量を所定量増やした入射光量での誘導ラマンが発生していない地点と発生している地点のストークス光受光量を求め、設定した入射光量と所定量増やした入射光量に基づく、誘導ラマンが発生していない地点と発生している地点のストークス光受光量から誘導ラマン散乱発生量を求め、当該誘導ラマン発生量を、予め求めておいた光ファイバの伝送損失で規格化した規格化入射光量と誘導ラマン散乱発生量との関係式に当てはめて誘導ラマン散乱の発生しない入射光量を求め、その入射光量を基に、温度分布測定を行う光ファイバ式温度分布測定方法にあり、また、光ファイバ中で発生するラマン散乱光強度の温度依存性を利用して光ファイバに沿った温度分布を求める光ファイバ式温度分布測定装置において、温度分布測定用光ファイバ中で誘導ラマン散乱が発生する入射光量以上の入射光量を所定量変えて設定する入射光量調整部と、その所定量入射光量を変えたときのストークス光のＯＴＤＲ波形から誘導ラマンが発生していない地点と発生している地点のストークス光受光量を求めると共に、これら受光量から誘導ラマン散乱発生量を求め、当該誘導ラマン散乱発生量を、予め求めて入力された光ファイバの伝送損失で規格化した規格化入射光量と誘導ラマン散乱発生量との関係式に当てはめて誘導ラマン散乱の発生しない入射光量を求める設定入射光量判定部と、その設定入射光量判定部で設定された入射光量で、温度分布を測定する信号処理部とを備えたことを特徴とする光ファイバ式温度分布測定装置にある。
【００１２】
【作用】
誘導ラマン散乱の発生が容易に行える入射光量で最適入射光量設定のための情報を得、この結果を予め求めておいた入射光量と誘導ラマン散乱発生量の関係と比較して最適入射光量の設定を行うため、伝送損失特性の異なるそれぞれのセンサ用光ファイバに対応して誘導ラマン散乱発生ぎりぎりの入射光量への設定を容易に行えるようになる。
【００１３】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例を示す光ファイバ式温度分布測定装置の構成図である。
【００１４】
従来例の図６と異なるのは、センサ用光ファイバ３への入射光量調整部６、図５に示すフローチャートの２、３、４、５、７、８、９の判定処理を行う設定入射光量判定部７が追加された点である。センサ用光ファイバ３への入射光量調整部６はパルス光源１からセンサ用光ファイバ３までの経路のどこにあっても良く、例えばパルス光源１内部に組み込まれていても良い。
【００１５】
本発明の原理誘導ラマン散乱現象の解析結果を図２ないし図４を用いて説明する。
【００１６】
誘導ラマン散乱は、光ファイバ入射光量がある値を超えるとある距離以遠で発生する現象であり、ストークス光のＯＴＤＲ波形（ストークス光の受光・サンプリング・平均化処理回路４Ｓの出力から得ることができる。）で、誘導ラマン散乱発生時と発生していないときの波形を比較すると図２の様になる。
【００１７】
したがって、誘導ラマン散乱の発生量の評価は、ストークス光のＯＴＤＲ波形（受信光量の距離依存性）での、誘導ラマン散乱が発生する地点以遠での受信光量（例えばＢ地点での受信光量）をセンサ用光ファイバ入射光量や誘導ラマン散乱が発生しない地点（例えばＡ地点での受信光量）での受信光量で規格化することにより行える。
【００１８】
一方、入射光量に対する誘導ラマン散乱発生量の関係を複数の光ファイバａ、ｂ、ｃについて求めたところ、図３に示すような特性となることが分かった。ある光ファイバａについては、ある入射光量から誘導ラマン散乱が発生し始め、入射光量の増加と共に誘導ラマン散乱の発生量も増加する特性である。しかし、光ファイバｂ、ｃによって特性が一致せず、誘導ラマン散乱発生量は入射光量のみに依存するものではないと考えられた。そこで、光ファイバａ〜ｃの伝送損失に着目し、入射光量を光ファイバの伝送損失で規格化してみた。その結果、測定光ファイバによらず図４のような特性となることが分かった。この関係を定式化（近似式を作成）し、ストークス光のＯＴＤＲ波形から誘導ラマン散乱が明らかに発生していることが確認できる２種類以上の入射光量で誘導ラマン散乱光の発生量を評価することにより、誘導ラマン散乱が発生しない入射光量を求めることができる。
【００１９】
図５は、本発明による光ファイバ式温度分布測定装置の入射光量設定方法のフロー・チャートを示した図であり、前述した誘導ラマン散乱が発生しない入射光量を求めるまでの手順を示したものである。
【００２０】
図５において、先ず、（１）入射光量をＰ１に設定し、（２）ストークス光のＯＴＤＲ波形を求める。（３）入射光量Ｐ１で誘導ラマン散乱光が発生しているかどうかを判断し、誘導ラマン散乱が発生していなければ（Ｎ）、入射光量を所定量増やして（２）に戻ってＯＴＤＲ波形を求め、（３）のステップで誘導ラマン散乱が発生していたならば（Ｙ）、（４）Ａ，Ｂ地点でのストークス光受光量ＳA 、ＳB を求める。このＡ地点のストークス光受光量ＳA は、温度分布測定するセンサ用光ファイバ固有の光損失を含んだ光量であり、またＢ地点のストークス光受光量ＳB は、光損失と入射光量に基づく誘導ラマン散乱光発生光量を含んだ光量となる。
【００２１】
そこで、（５）誘導ラマン散乱発生量ＳＲ１＝ＳB ／ＳA を求める。この誘導ラマン散乱発生量ＳＲ１は、誘導ラマン散乱を発生している地点Ｂの受光量を誘導ラマン散乱が発生していない地点Ａの受光量で除することで、すなわち光ファイバの伝送損失の影響に依存しない値とすることができる。
【００２２】
（５）で誘導ラマン散乱発生量ＳＲ１を求めた後、（６）入射光量を所定量増やして、（２）で説明したストークス光のＯＴＤＲ波形を求め、その波形から、同様に（７）Ａ，Ｂ地点でのストークス光受光量ＳA 、ＳB を求め、（８）誘導ラマン散乱発生量ＳＲ２＝ＳB ／ＳA を求める。
【００２３】
次に、（９）ＳＲ１とＳＲ２を、予め求めておいた規格化入射光量と誘導ラマン散乱発生量との関係式（図４）に当てはめ、誘導ラマン散乱の発生しない設定入射光量ＰINを求める。
【００２４】
この設定入射光量ＰINをもとに、（１０）入射光量をＰINに設定して温度分布測定を行う。
【００２５】
このように、誘導ラマン散乱光が発生する入射光量で、かつその入射光量を変えて、地点Ｂで、両入射光量に基づくストークス光受光量ＳB をそれぞれ求めると同時に、誘導ラマン散乱光が発生していない地点Ａでも、同様にストークス光受光量ＳAを求めて、これら受光量からＳＲ１とＳＲ２を求めることで、図４で説明したグラフ（近似式）に基づいて誘導ラマン散乱を発生することがなく、しかも各光ファイバに対応した入射光量を求めることができ、これによって、誘導ラマン散乱が発生しないぎりぎりの入射光量で温度分布測定が行えると共に高いＳ／Ｎでの高精度の温度分布測定を行うことができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、誘導ラマン散乱が発生しないぎりぎりの入射光量の調整が容易になり、高精度の温度分布測定を容易に行うことができるようになる。
【００２７】
また、伝送損失の異なる複数のセンサ用光ファイバを切り替えて測定を行う場合でも、それぞれのセンサ用光ファイバに最適な入射光レベルを容易に設定することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す光ファイバ式温度分布測定装置の構成図。
【図２】誘導ラマン散乱の発生している場合と発生していない場合のストークス光のＯＴＤＲ波形の例を示す図。
【図３】センサ用光ファイバ入射光量に対する誘導ラマン散乱発生量の関係を表す図。
【図４】光ファイバ入射光量を光ファイバの伝送損失で規格化したときの誘導ラマン散乱発生量特性。
【図５】本発明による、光ファイバ式温度分布測定装置の入射光量設定方法のフロー・チャート。
【図６】従来の光ファイバ式温度分布測定装置の構成図。
【符号の説明】
１ パルス光源
２ 光分波器
３ センサ用光ファイバ
４Ｓ，４Ａ 受光・サンプリング・平均化処理回路
５ 信号処理部
６ 入射光量調整部
７ 設定入射光量判定部
【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５】
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【図６】
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