(57)【要約】  温度測定装置は、光ファイバの第１端に光が入射する場合の後方散乱光から第１ストークス成分および第１アンチストークス成分を検出し、第２端に光が入射する場合の後方散乱光から第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を検出する検出器と、光ファイバの第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、第１ストークス成分および第１アンチストークス成分と、第２ストークス成分との第１相関に応じて第１区間を算出し、第１ストークス成分および第１アンチストークス成分と、第２アンチストークス成分との第２相関に応じて第２区間を算出し、第１区間において第２ストークス成分を平滑化し、第２区間において第２アンチストークス成分を平滑化する補正部と、平滑化後の第２ストークス成分、平滑化後の第２アンチストークス成分、第１ストークス成分、および第２ストークス成分を用いて温度を測定する測定部と、を備える。
2016181541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの第１端に光が入射する場合の後方散乱光から第１ストークス成分および第１アンチストークス成分を検出し、前記光ファイバの第２端に光が入射する場合の後方散乱光から第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を検出する検出器と、
前記光ファイバの前記第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分の少なくともいずれか一方と、前記第２ストークス成分との第１相関に応じて前記サンプル点を含む第１区間を算出し、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分の少なくともいずれか一方と、前記第２アンチストークス成分との第２相関に応じて前記サンプル点を含む第２区間を算出し、前記第１区間において前記第２ストークス成分を平滑化し、前記第２区間において前記第２アンチストークス成分を平滑化する補正部と、
平滑化後の前記第２ストークス成分、平滑化後の前記第２アンチストークス成分、前記第１ストークス成分、および前記第２ストークス成分を用いて前記サンプル点における温度を測定する測定部と、を備えることを特徴とする温度測定装置。
【請求項２】
光源からの光を前記第１端と前記第２端とに交互に入射する光スイッチを備え、
前記補正部は、前記光スイッチから前記第１端に前記光が入射される場合の第１ストークス成分および第１アンチストークス成分と、次に前記光スイッチから前記第２端に前記光が入射される場合の第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を用いて前記第１区間および前記第２区間を算出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】
前記補正部は、前記第１相関が小さいほど前記第１区間を長くし、前記第２相関が小さいほど前記第２区間を長くすることを特徴とする請求項１または２記載の温度測定装置。
【請求項４】
前記補正部は、前記第１区間および前記第２区間に上限を設定することを特徴とする請求項３記載の温度測定装置。
【請求項５】
前記補正部は、前記第１相関が閾値以上であれば前記第２ストークス成分を平滑化せず、前記第２相関が閾値以上であれば前記第２アンチストークス成分を平滑化しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の温度測定装置。
【請求項６】
前記第１相関および前記第２相関として、Ｐｅａｒｓｏｎの積率相関係数を用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の温度測定装置。
【請求項７】
前記第１相関および前記第２相関として、Ｓｐｅａｒｍａｎの順位積率相関係数を用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の温度測定装置。
【請求項８】
前記所定領域は、前記サンプル点の周囲の光ファイバを一定温度とし、前記サンプル点を中心とした最小加熱長区間に該一定温度と異なる一定の温度を付与した際に得られる温度分布の半値幅よりも大きく、１次成分幅よりも小さい領域であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の温度測定装置。
【請求項９】
光ファイバの第１端に光が入射する場合の後方散乱光から第１ストークス成分および第１アンチストークス成分を検出し、前記光ファイバの第２端に光が入射する場合の後方散乱光から第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を、検出器を用いて検出し、
前記光ファイバの前記第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分の少なくともいずれか一方と、前記第２ストークス成分との第１相関に応じて前記サンプル点を含む第１区間を算出し、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分の少なくともいずれか一方と、前記第２アンチストークス成分との第２相関に応じて前記サンプル点を含む第２区間を算出し、前記第１区間において前記第２ストークス成分を平滑化し、前記第２区間において前記第２アンチストークス成分を平滑化し、
平滑化後の前記第２ストークス成分、平滑化後の前記第２アンチストークス成分、前記第１ストークス成分、および前記第２ストークス成分を用いて前記サンプル点における温度を測定する、ことを特徴とする温度測定方法。
【請求項１０】
コンピュータに、
光ファイバの第１端に光が入射する場合の後方散乱光から第１ストークス成分および第１アンチストークス成分を検出し、前記光ファイバの第２端に光が入射する場合の後方散乱光から第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を検出する処理と、
前記光ファイバの前記第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分の少なくともいずれか一方と、前記第２ストークス成分との第１相関に応じて前記サンプル点を含む第１区間を算出し、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分の少なくともいずれか一方と、前記第２アンチストークス成分との第２相関に応じて前記サンプル点を含む第２区間を算出し、前記第１区間において前記第２ストークス成分を平滑化し、前記第２区間において前記第２アンチストークス成分を平滑化する処理と、
平滑化後の前記第２ストークス成分、平滑化後の前記第２アンチストークス成分、前記第１ストークス成分、および前記第２ストークス成分を用いて前記サンプル点における温度を測定する処理と、を実行させることを特徴とする温度測定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件は、温度測定装置、温度測定方法および温度測定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光源から光ファイバに光を入射した際に当該光ファイバからの後方ラマン散乱光を用いて光ファイバの温度を測定する技術が開発されている（例えば、特許文献１〜６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１４５５４号公報
【特許文献２】特開２００３−５７１２６号公報
【特許文献３】特開昭６２−１１０１６０号公報
【特許文献４】特開平７−１２６５５号公報
【特許文献５】特開平２−１２３３０４号公報
【特許文献６】特開２００２−２６７２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記技術で測定された温度に対して補正などの後処理を行おうとすると、例えばノイズの抑圧とともに信号成分も減衰するなどのおそれが生じる。すなわち、測定された温度を補正することが困難である。【０００５】
本件は上記課題に鑑みなされたものであり、測定された温度を補正することができる温度測定装置、温度測定方法および温度測定プログラム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】
【０００６】
１つの態様では、温度測定装置は、光ファイバの第１端に光が入射する場合の後方散乱光から第１ストークス成分および第１アンチストークス成分を検出し、前記光ファイバの第２端に光が入射する場合の後方散乱光から第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を検出する検出器と、前記光ファイバの前記第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分の少なくともいずれか一方と、前記第２ストークス成分との第１相関に応じて前記サンプル点を含む第１区間を算出し、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分の少なくともいずれか一方と、前記第２アンチストークス成分との第２相関に応じて前記サンプル点を含む第２区間を算出し、前記第１区間において前記第２ストークス成分を平滑化し、前記第２区間において前記第２アンチストークス成分を平滑化する補正部と、平滑化後の前記第２ストークス成分、平滑化後の前記第２アンチストークス成分、前記第１ストークス成分、および前記第２ストークス成分を用いて前記サンプル点における温度を測定する測定部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
測定された温度を補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）は実施形態に係る温度測定装置の全体構成を表す概略図であり、（ｂ）は制御部のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
【図２】後方散乱光の成分を表す図である。
【図３】（ａ）はレーザによる光パルス発光後の経過時間と、ストークス成分およびアンチストークス成分の光強度との関係を例示する図であり、（ｂ）は（ａ）の検出結果および式（１）を用いて算出した温度である。
【図４】ダブルエンド方式の詳細な手続きを表す。
【図５】ダブルエンド方式の利点を表す。
【図６】室温約２４℃時に光ファイバの一部区間を約５５℃のお湯に浸漬した場合の応答例を示す。
【図７】図６および式（３）から得られる結果を例示する図である。
【図８】インパルス応答の典型例を例示する。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は各浸漬長に対してインパルス応答から推定した出力波形と、実際に得られた出力波形との比較を例示する図である。
【図１０】２つの２０ｃｍの高温印加区間に対して、中央に印加しない区間を設け、その区間の幅を徐々に変化させたときの出力波形の計算値を例示する。
【図１１】後方ラマン散乱光検出によって得た片端からパルスを入射した場合の温度分布の一例を示す。
【図１２】図１１の両端から入射した２つの信号のストークス成分およびアンチストークス成分をそれぞれ平均化して温度を算出した図である。
【図１３】測定精度を定量的に例示する。
【図１４】図１１から抽出したノイズの少ないＬメートル側片端のお湯への浸漬区画の温度分布と、図１２から抽出した２００ｍ近傍の平坦温度部を重ねて例示する図である。
【図１５】２つの波形のパワースペクトルを例示する図である。
【図１６】ストークス成分およびアンチストークス成分を例示する図である。
【図１７】お湯の浸漬位置における第１端片端から光パルスを入射した場合のストークス成分およびアンチストークス成分を例示する。
【図１８】温度測定装置が温度測定を行う場合に実行するフローチャートの一例である。
【図１９】ステップＳ２およびステップＳ３の詳細を例示する。
【図２０】Ｐｅａｒｓｏｎの積率相関係数とＳｐｅａｒｍａｎの順位相関係数との比較を例示する図である。
【図２１】温度測定装置が温度測定を行う場合に実行するフローチャートの他の例である。
【図２２】温度測定装置が温度測定を行う場合に実行するフローチャートの他の例である。
【図２３】温度測定装置が温度測定を行う場合に実行するフローチャートの他の例である。
【図２４】他の適用例を例示する図である。
【図２５】他の適用例を例示する図である。
【図２６】（ａ）および（ｂ）は他の適用例を例示する図である。
【図２７】（ａ）および（ｂ）は他の適用例を例示する図である。
【図２８】他の適用例を例示する図である。
【図２９】（ａ）〜（ｄ）は算出結果を例示する図である。
【図３０】０１Ａおよび０２Ａの片側平均化要素数の関係を示す図である。
【図３１】０１Ａおよび０２Ａの片側平均化要素数の関係を示す図である。
【図３２】ダブルエンド方式の温度算出結果を例示する図である。
【図３３】ダブルエンド方式の温度算出結果を例示する図である。
【図３４】処理前後の温度分布の定量的な比較を示す図である。
【図３５】（ａ）〜（ｄ）は算出結果を例示する図である。
【図３６】０１Ａおよび０２Ａの片側平均化要素数の関係を示す図である。
【図３７】０１Ａおよび０２Ａの片側平均化要素数の関係を示す図である。
【図３８】ダブルエンド方式の温度算出結果を例示する図である。
【図３９】ダブルエンド方式の温度算出結果を例示する図である。
【図４０】処理前後の温度分布の定量的な比較を示す図である。
【図４１】（ａ）〜（ｄ）は算出結果を例示する図である。
【図４２】ダブルエンド方式の温度算出結果を例示する図である。
【図４３】ダブルエンド方式の温度算出結果を例示する図である。
【図４４】処理前後の温度分布の定量的な比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。
【００１０】
（実施形態）
図１（ａ）は、実施形態に係る温度測定装置１００の全体構成を表す概略図である。図１（ａ）で例示するように、温度測定装置１００は、測定機１０、制御部２０などを備える。温度測定装置１００は、光ファイバ３０に接続されている。測定機１０は、レーザ１１、ビームスプリッタ１２、光スイッチ１３、フィルタ１４、複数の検出器１５ａ，１５ｂなどを備える。制御部２０は、指示部２１、温度測定部２２、補正部２３などを備える。
【００１１】
図１（ｂ）は、制御部２０のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図１（ｂ）で例示するように、制御部２０は、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２、記憶装置１０３、インタフェース１０４などを備える。これらの各機器は、バスなどによって接続されている。ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）１０１は、中央演算処理装置である。ＣＰＵ１０１は、１以上のコアを含む。ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）１０２は、ＣＰＵ１０１が実行するプログラム、ＣＰＵ１０１が処理するデータなどを一時的に記憶する揮発性メモリである。記憶装置１０３は、不揮発性記憶装置である。記憶装置１０３として、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどのソリッド・ステート・ドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスクドライブに駆動されるハードディスクなどを用いることができる。ＣＰＵ１０１が記憶装置１０３に記憶されている温度測定プログラムを実行することによって、制御部２０に指示部２１、温度測定部２２、補正部２３などが実現される。なお、指示部２１、温度測定部２２および補正部２３は、専用の回路などのハードウェアであってもよい。
【００１２】
レーザ１１は、半導体レーザなどの光源であり、指示部２１の指示に従って所定の波長範囲のレーザ光を出射する。本実施形態においては、レーザ１１は、所定の時間間隔で光パルス（レーザパルス）を出射する。ビームスプリッタ１２は、レーザ１１が出射した光パルスを光スイッチ１３に入射する。光スイッチ１３は、入射された光パルスの出射先を切り替えるスイッチであり、指示部２１の指示に従って光ファイバ３０の第１端および第２端に一定周期で交互に光パルスを入射する。なお、本実施形態においては、光ファイバ３０の長さをＬメートル（ｍ）とし、第１端の位置を０メートル（ｍ）とし、第２端の位置をＬメートル（ｍ）とする。
【００１３】
光ファイバ３０に入射した光パルスは、光ファイバ３０を伝搬する。光パルスは、伝搬方向に進行する前方散乱光および帰還方向に進行する後方散乱光（戻り光）を生成しながら徐々に減衰して光ファイバ３０内を伝搬する。後方散乱光は、光スイッチ１３を通過してビームスプリッタ１２に再度入射する。ビームスプリッタ１２に入射した後方散乱光は、フィルタ１４に対して出射される。フィルタ１４は、ＷＤＭカプラなどであり、後方散乱光を長波長成分（後述するストークス成分）と短波長成分（後述するアンチストークス成分）とを抽出する。検出器１５ａ，１５ｂは、受光素子である。検出器１５ａは、後方散乱光の短波長成分の受光強度を電気信号に変換して温度測定部２２および補正部２３に送信する。検出器１５ｂは、後方散乱光の長波長成分の受光強度を電気信号に変換して温度測定部２２および補正部２３に送信する。補正部２３は、ストークス成分およびアンチストークス成分を補正する。温度測定部２２は、ストークス成分およびアンチストークス成分を用いて温度測定を行う。
【００１４】
図２は、後方散乱光の成分を表す図である。図２で例示するように、後方散乱光は、大きく３種類に分類される。これら３種類の光は、光強度の高い順かつ入射光波長に近い順に、ＯＴＤＲ（光パルス試験器）などに使用されるレイリー散乱光、歪測定などに使用されるブリルアン散乱光、温度測定などに使用されるラマン散乱光である。ラマン散乱光は、温度に応じて変化する光ファイバ３０内の格子振動と光との干渉で生成される。強めあう干渉によりアンチストークス成分と呼ばれる短波長成分が生成され、弱めあう干渉によりストークス成分とよばれる長波長成分が生成される。
【００１５】
図３（ａ）は、レーザ１１による光パルス発光後の経過時間と、ストークス成分（長波長成分）およびアンチストークス成分（短波長成分）の光強度との関係を例示する図である。経過時間は、光ファイバ３０における伝搬距離（光ファイバ３０における位置）に対応している。図３（ａ）で例示するように、ストークス成分およびアンチストークス成分の光強度は、両方とも経過時間とともに低減する。これは、光パルスが前方散乱光および後方散乱光を生成しながら徐々に減衰して光ファイバ３０内を伝搬することに起因する。
【００１６】
図３（ａ）で例示するように、アンチストークス成分の光強度は光ファイバ３０において高温になる位置では、ストークス成分と比較してより強くなり、低温になる位置では、ストークス成分と比較してより弱くなる。したがって、両成分を検出器１５ａ，１５ｂで検出し、両成分の特性差を利用することによって、光ファイバ３０内の各位置の温度を検出することができる。なお、図３（ａ）において、極大を示す領域は、図１（ａ）においてドライヤなどで光ファイバ３０を意図的に加熱した領域である。また、極小を示す領域は、図１（ａ）において冷水などで光ファイバ３０を意図的に冷却した領域である。
【００１７】
本実施形態においては、温度測定部２２は、経過時間ごとにストークス成分とアンチストークス成分とから温度を測定する。それにより、光ファイバ３０内における各位置の温度を測定することができる。温度測定部２２は、例えば、下記式（１）に従って温度を算出することによって、光ファイバ３０内の各位置の温度を測定する。光量は、光強度に対応している。２つの成分の比を用いることで微弱な成分の差が強調され、実用的な値を得ることができる。なお、ゲインおよびオフセットは、光ファイバ３０の仕様に依存するため、予め較正しておけばよい。
温度＝ゲイン／｛オフセット−２×ｌｎ（アンチストークス光量／ストークス光量｝｝    （１）
【００１８】
図３（ｂ）は、図３（ａ）の検出結果および上記式（１）を用いて算出した温度である。図３（ｂ）の横軸は、経過時間を基に算出した光ファイバ３０内の位置である。図３（ｂ）で例示するように、ストークス成分およびアンチストークス成分を検出することによって、光ファイバ３０内の各位置の温度を測定することができる。レーザ１１は、例えば一定周期で光パルスを光ファイバ３０に入射する。空間分解能は、光パルスのパルス幅が狭いほど向上する。他方、パルス幅が狭いほど光量が小さく（＝暗く）なるので、その分パルスの尖塔値を高くする必要が生じ、上記式のゲインが非線形となる応答に変わる。
【００１９】
光スイッチ１３からの光ファイバ３０への入射位置が第１端または第２端で固定されていれば、上記式（１）での温度測定が可能である。本実施形態のように入射位置を一定周期で第１端と第２端とで切り替える場合には、アンチストークス光量とストークス光量とを各光ファイバ３０の位置で平均化（平均値の算出）すればよい。この切替による方式は、「ループ式測定」や、「ダブルエンド測定」や、「デュアルエンド測定」などと呼ばれる（以下、ダブルエンド方式と称する）。
【００２０】
ダブルエンド方式では、上記式（１）を、下記式（２）のように変更すればよい。すなわち、上記式（１）においてアンチストークス光量およびストークス光量を光ファイバ３０の各位置で平均化すればよい。オフセットおよびゲインは、方端時の測定時の平均値や大きい方の値を用いたり、新たに較正したりするなどで設定することができる。
温度＝ゲイン／｛オフセット−２×ｌｎ（平均アンチストークス光量／平均ストークス光量｝｝    （２）
【００２１】
図４は、ダブルエンド方式の詳細な手続きを表す。「０１Ｓ」は、第１端から光パルスを入射した場合（０→Ｌ）のストークス成分を示す。「０１Ａ」は、第１端から光パルスを入射した場合（０→Ｌ）のアンチストークス成分を示す。「０２Ｓ」は、第２端から光パルスを入射した場合（Ｌ→０）のストークス成分を示す。「０２Ａ」は、第２端から光パルスを入射した場合（Ｌ→０）のアンチストークス成分を示す。なお、「０２Ｓ」および「０２Ａ」は、第２端から光パルスを入射した場合に検出される光強度「０２Ｓ´」および「０２Ａ´」を、経過時間に対して反転させることによって得ることができる。この反転によって、位置を統一することができる。
【００２２】
図５は、ダブルエンド方式の利点を表す。経路中に過大な曲げが発生すると伝送損失が発生し、当該地点で光強度が急峻に低下する。光強度が急峻に低下すると、ストークス成分とアンチストークス成分との比が変わり、上記式（２）で算出される温度は通常、低下する方向にずれる。ダブルエンド方式でない方端方式（以下、シングルエンド方式と称する）では、第１端（０メートル）側から第２端（Ｌメートル）側にパルスが伝搬する場合は、曲げ損失点から第２端側において、同一印加温度に対する出力温度が低下する。一方、第２端（Ｌメートル）側から第１端（０メートル）側にパルスが伝搬する場合は、曲げ損失点から第１端側において、同一印加温度に対する出力温度が低下する。
【００２３】
例えば、較正用の測温抵抗体などを用いて、第１端または第２端の温度を較正することができる。ところで、シングルエンド方式では、較正された箇所よりも遠方で値のずれが生じるおそれがある。これに対して、ダブルエンド方式では、平均を取ることで、以下のメリットが得られる。（１）曲げ損失点前後の急峻な変化を打ち消すことができる、つまり、損失の長さ方向の変化を解消できる。（２）シングルエンド方式の測温抵抗体で較正された各始端温度とダブルエンド方式の同じ位置の温度は変わらないはずであるから、そうなるようにゲインやオフセット値を再較正できる。
【００２４】
現在流通している光ファイバは性能が向上して屈折率の不均一等はないものの、各対象への敷設で曲げや引張、コネクタ接続などにより異なる大きさの伝送損失が発生することがある。したがって、シングルエンド方式では正確な温度を測定するには、各損失発生後の区間にそれぞれ独自の較正値を付与することが好ましい。しかしながら、測定最中に発生した損失に対する補償はできないが、ダブルエンド方式では伝送損失の発生は使用長さに影響するので好ましくないものの、正確な測定が出来ないか否かを心配しなくてもよい。
【００２５】
続いて、光ファイバにおける温度測定対象区間長と、ラマン散乱光から得られる測定温度との関係を例示する。図６は、室温約２４℃時に光ファイバ３０の一部区間を約５５℃のお湯に浸漬した場合の応答例を示す。０．５ｍから１０．５ｍまで浸漬長を長くしていく場合に、約２ｍ以上で、ピーク温度がお湯と同じ５５℃となる。したがって、正確な温度を測定するためには、温度測定対象区間を長くすることが好ましい。
【００２６】
正確な湯温から正確な室温を差し引いた温度を光ファイバ３０への印加温度とすると、測定系の感度は下記式（３）で定義される。
感度＝（お湯浸漬位置のピーク温度−浸漬位置前後のファイバで測定した室温）／印加温度×１００（％）    （３）
図６および上記式（３）から得られる結果を図７に示す。図７で例示するように、わずかにオーバーシュートが見られる。これは、後述するように、システムのインパルス応答がガウシアンではなく、ｓｉｎｃ関数に近い負の成分および高次のピークを持つ波形のためである。感度１００％となる、もしくはみなせる最小長さを最小加熱長と称する。
【００２７】
図６によれば、一定温度区間内に高温印加区間（＝お湯浸漬区間）を設けた際の温度は、単一方形波に対してインパルス応答を畳み込んだものと等価とみなすことができる。それにより、システムのインパルス応答が求まる。図８は、求めたインパルス応答の典型例を例示する。後方ラマン散乱光を用いた光ファイバの温度測定においては、図８で例示するように、インパルス応答はｓｉｎｃ関数に中心から離れた位置がきれいに減衰するような窓関数処理をした波形とみなせる。図７の感度曲線のオーバーシュートは、このインパルス応答波形に起因して生ずる。光ファイバ３０の長さ方向に沿った印加温度分布に対してこのインパルス応答を畳み込めば、ほぼ正確な出力予測が出来る。
【００２８】
図９（ａ）〜図９（ｃ）は、各浸漬長に対してインパルス応答から推定した出力波形と、実際に得られた出力波形との比較を例示する図である。図９（ａ）〜図９（ｃ）で例示するように、出力波形はほぼ正確に予測できている。図９（ａ）の３．２５ｍの浸漬ではインパルス応答の畳込どうしが干渉したことでピークが平坦化している。
【００２９】
そこで、図１０には、２つの２０ｃｍの高温印加区間に対して、中央に印加しない区間を設け（つまり、お湯の浸漬でいえば空気中に出すということ）、その区間の幅を徐々に変化させたときの出力波形の計算値を例示する。ピーク温度を１とし、基準温度を０として規格化している。図１０で例示するように、１．２〜１．４ｍの区間が空くと高温印加区間は２つある、とみなすことができる。これは、図８で例示したインパルス応答波形の拡がりによる干渉の結果である。高温印加区間が２つとみなせるのは、図１０のインパルス応答の半値幅以上に離間した場合である。明確に離間したと判定するためには、勾配が逆転する０次成分幅の半値以上が好ましい。図１０において、中央の非加熱区間の最低温度が基準温度と等しくなる、つまり、インパルス応答波形の干渉が無視できるようになるのは、図１０から、２つの高温印加区間の間隔が１次ピーク間幅よりも大きく、たとえば１次成分幅程度になった場合である。
【００３０】
したがって、現在着目している光ファイバ位置で伝達関数の作用により温度が変化している、つまり、正しく温度が出力されている、と判断するには、その位置を中心にして、０次成分幅以上、かつ、１次成分幅以下の範囲の温度変化に着目することが好ましい。光パルスは、波長拡がりや入射画角、散乱などの影響で徐々に拡がってかつ減衰しながら伝搬される。そのため、インパルス応答は、光ファイバ３０の仕様に記載された最大使用長のファイバを接続したときの中央位置で測定・算出したものとすることが好ましく、または近端と中央、遠端の３か所の平均とするなどで対応することが好ましい。
【００３１】
より高精度に温度を測定するためには、たとえば図９（ａ）〜図９（ｃ）で例示するような畳み込みと出力データとの比較が問題ない程度の差異である範囲は同じとみなせる複数の区間を定め、各区間の中心位置で測定・算出して保存しておき、それぞれの区間ごとにそれぞれ保存したインパルス応答を用いる、などとすることが好ましい。時間の経過とともに、インパルス応答波形はレーザの劣化等により僅かに変化するため、さらに高精度に温度を測定するためには、一定期間ごとにインパルス応答を初回取得と同じ位置で較正することが好ましい。
【００３２】
図１１は、後方ラマン散乱光検出によって得た片端からパルスを入射した場合の温度分布の一例を示す。図１１では、図１で例示した第１端（０メートル）から入射した場合の波形と、第２端（Ｌメートル）から入射した場合の波形とが重ねて例示してある。第１端から入射した場合には、第１端近傍においては測定温度のばらつきが小さく、第２端に向けて測定温度のばらつきが大きくなる。一方、第２端から入射した場合には、第２端近傍においては測定温度のばらつきが小さく、第１端に向けて測定温度のばらつきが大きくなる。温度変化の大きい３０００ｍ近傍は、清掃が不十分なコネクタ接続位置であり、４９００ｍ地点はお湯に浸漬した箇所である。この例では光ファイバ３０が複数のボビンに巻かれて経路が構成され、かつ、それらの平均温度が微妙に異なるために、複数の段差が生じている。図１１によれば、光源から離れるほど、ばらつきが大きくなっており、測定精度が低下していることがわかる。
【００３３】
図１２は、図１１の両端から入射した２つの信号のストークス成分およびアンチストークス成分をそれぞれ平均化（平均値を算出）して温度を算出したものである。平均化により、端点の測定精度の低下は図１１よりも緩和されたが、良好な側の端点には及ばない。図１３は、測定精度を定量的に例示する。それぞれ温度変化のない平坦部３か所各１００ｍの値を用いて算出した標準偏差３σの値である。平均（ループ式）は０（ｍ）から入射した場合の値とＬ（ｍ）から入射した場合の値の平均値となっていることが確認できる。
【００３４】
後方ラマン散乱光検出による光ファイバを用いた温度測定は、トンネルや石炭ベルトコンベアの火災異常検知等に用いられる。火災検知は±６℃でも問題はないが、たとえば、±１℃を必要とする場合、測定時間を（６÷１）２＝３６倍掛ければよい。たとえば、図１３の測定精度が２０秒で得られるレベルの機器ならば１２分、１分間で得られるレベルの機器ならば３６分を掛けて測定することで、±１℃を得るが、リアルタイムに該当する時間ではなく、用途は限定される。より幅広い分野に活用するには、高価な光源やフィルタ、回路等の部品を使用せずに、後処理によって測定精度を向上させることが好ましい。
【００３５】
ノイズ低減のための後処理としては、必要な信号帯域以外は低域高域（および中域）ともにカットしてしまうバンドパスフィルタや、ノイズモデルを設計し、それを基に有効な信号帯域を抽出する適応フィルタなどの適用がある。ここで、図１４に、図１１から抽出したノイズの少ないＬメートル側片端のお湯への浸漬区画の温度分布と、図１２から抽出した２００ｍ近傍の平坦温度部を重ねて例示する。平坦温度部の温度の振れはノイズによるものである。
【００３６】
これらのデータは、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）時のエイリアシングの影響を最小化するため信号の両側を減衰させている。波形の非線形は、サンプリングが約５０ｃｍ間隔であることに拠る。これら２つの波形のパワースペクトルを図１５に例示する。図１５で例示するように、ノイズと信号成分の帯域は重複している。つまり、いかなるフィルタ処理でもノイズの抑圧とともに信号成分も減衰してしまう。お湯の温度と浸漬長が既知ならば良好なノイズ圧縮が可能だが、光ファイバに付与される温度分布のパターンはあらかじめ定まるものではない。後方ラマン散乱光検出による光ファイバの温度測定において、ダブルエンド方式の測定を行った際には、上記の通り、中央近傍に比べて光源に近い端部の測定精度が悪い問題に加えて、その緩和のためになんらかのフィルタ処理を加えようとしても、信号成分自体の減衰も避けられないという問題がある。
【００３７】
図１６に図９（ａ）〜図９（ｃ）で例示した温度分布を算出する元信号であるストークス成分およびアンチストークス成分を例示する。図１６においては、第１端に光パルスを入射する場合のストークス成分「０１Ｓ」、アンチストークス成分「０１Ａ」、第２端に光パルスを入射する場合のストークス成分「０２Ｓ」、アンチストークス成分「０２Ａ」が例示されている。前述したように、温度は上記式（１）で算出される。ｌｎ（  ）内の２つの光量が温度のノイズに起因するものになる。
【００３８】
図１６によれば、近端側ではストークス成分およびアンチストークス成分ともにノイズは小さいが、遠端になると、アンチストークス成分のノイズが特に大きくなる。つまり、ノイズ低減のためには、遠端のアンチストークス成分のノイズが低減できる方法に着目することが好ましい。そこで、本実施形態においては、ダブルエンド方式であることと、ストークス成分とアンチストークス成分との変化の関係を利用することとする。
【００３９】
図１７は、お湯の浸漬位置における第１端（０メートル）片端から光パルスを入射した場合のストークス成分およびアンチストークス成分を例示する。図１７で例示するように、どちらの信号も温度が変化している箇所では、変化を示しており、その他の箇所では光伝搬に伴って減衰している。温度が変化する、ということは、ストークス成分とアンチストークス成分とが長さ方向に同期して変化するということである。つまり、その同期の範囲を限定できれば、その他の領域は光源側の隣接するファイバ位置の温度に対して変化していない、もしくは、なだらかに傾きが変わっているだけ、と考えることができる。
【００４０】
そこで、図６〜８で説明した最小加熱長に着目することができる。後方ラマン散乱光の検出による光ファイバ温度測定は、一定区間内はほぼ同じ最小加熱長応答を示すとしてもよい。最小加熱長のファイバを一定温度周囲よりも加熱すると、図６のインパルス応答とほぼ同じ波形が得られる。その、周囲に影響を及ぼす範囲（干渉範囲）は、前述のとおり、勾配が逆転する０次成分幅以上、かつ、振幅がほぼゼロに減衰する１次成分幅以下の範囲に着目することが好ましい。
【００４１】
図１８は、温度測定装置１００が温度測定を行う場合に実行するフローチャートの一例である。まず、一例として、出荷前のダブルエンド方式における光ファイバ３０の長さ方向の測定精度分布もしくは機種の代表機のダブルエンド方式における光ファイバ３０の長さ方向の測定精度分布に基づき、光ファイバ３０を、０メートル（第１端）近傍の測定精度が劣る第１区間、中央の第２区間、Ｌメートル（第２端）近傍の測定精度が劣る第３区間に均等に分ける。補正部２３は、３つの各区間について図１８のフローチャートを実行する。
【００４２】
まず、補正部２３は、着目している光ファイバの区間が光ファイバ３０の総長の１／３以下の第１区間であるか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１で「Ｙｅｓ」と判定された場合、補正部２３は、第１区間の各サンプル点を中心として、最小加熱長応答波形の０次成分幅以上かつ１次成分幅以下に設定した所定の範囲の相関の大きさを求める。サンプル点とは、光ファイバ３０の長さ方向における温度測定対象点である。
【００４３】
次に、補正部２３は、０２Ｓおよび０２Ａを処理対象とし、０１Ｓおよび０１Ａを処理目標として４種類の相関の大きさを求める。補正部２３は、０２Ｓと０１Ｓとの相関および０２Ｓと０１Ａとの相関のうち、たとえば、小さい方の相関の大きさα＿０２Ｓを選択する（ステップＳ２）。次に、補正部２３は、０２Ａと０１Ｓとの相関および０２Ａと０１Ａとの相関のうち、たとえば小さい方の相関の大きさα＿０２Ａを選択する（ステップＳ３）。図１９は、ステップＳ２およびステップＳ３の詳細を例示する。
【００４４】
次に、補正部２３は、それぞれの相関の大きさが大きければ大きいほど、現在着目している位置を中心とした平均化範囲が小さくなるように、平均化区間を設定する。例えば、補正部２３は、平均化範囲の片側を、１／α＿０２Ａおよび１／α＿０２Ｓを四捨五入して得た整数サンプル分とする（ステップＳ４）。次に、補正部２３は、０２Ｓおよび０２Ａをサンプル点ごとに決定した平均化範囲で平均した後、各サンプル点で、０１Ｓと０２Ｓとを平均化してストークス成分とし、０２Ａと０１Ａとを平均化してアンチストークス成分とし、温度を算出する（ステップＳ５）。０１Ｓおよび０１Ａは処理目標なので、特に変換を行わない。
【００４５】
ステップＳ１で「Ｎｏ」と判定された場合、補正部２３は、着目している光ファイバの区間が光ファイバ３０の総長の２／３以上の第３区間であるか否かを判定する（ステップＳ６）。第３区間では、０２Ｓが０１Ｓに相当し、０２Ａが０１Ａに相当する。そこで、ステップＳ６で「Ｙｅｓ」と判定された場合、補正部２３は、０２Ｓと０１Ｓとを入れ替え、０２Ａと０１Ａとを入れ替え、ステップＳ２〜ステップＳ４と同様の処理を行う（ステップＳ７）。したがって、補正部２３は、０１Ｓに対して求める２つの相関の大きさのうち小さい方の相関の大きさα＿０１Ｓを選択し、０２Ａに対して求める２つの相関の大きさのうち小さい方の相関の大きさα＿０１Ａを選択し、平均化範囲の片側を１／α＿０１Ａおよび１／α＿０１Ｓを四捨五入して得た整数サンプル分とする。次に、補正部２３は、０１Ｓおよび０１Ａをサンプル点ごとに決定した平均化範囲で平均した後、各サンプル点で、０１Ｓと０２Ｓとを平均化してストークス成分とし、０２Ａと０１Ａとを平均化してアンチストークス成分とし、温度を算出する。０２Ｓおよび０２Ａは処理目標なので、特に変換を行わない。ステップＳ６で「Ｎｏ」と判定された場合、補正部２３は、各サンプル点で、０１Ｓと０２Ｓとを平均化してストークス成分とし、０２Ａと０１Ａとを平均化してアンチストークス成分とし、温度を算出する（ステップＳ８）。つまり、１／３から２／３までの区間は平均化処理を行わない、通常のダブルエンド方式における温度の算出方法となる。
【００４６】
以上の処理により、ノイズが少なく信頼性の値を相対的に重み付けすることになり、ノイズを除去することができる。なお、ステップＳ２およびステップＳ３でいずれか小さい方を用いたが、大きい方であってもよく、平均を用いてもよい。小さい方にするということは、確実に温度変化と見られるもの以外のデータを平均化することであり、大きい方を用いるということは、ノイズに埋もれたわずかな変化のデータも可能な限り除去しないというものである。
【００４７】
相関の大きさの求め方はさまざまであるが、たとえば、Ｐｅａｒｓｏｎの積率相関係数を用いることができる。０２Ａと０１Ｓの場合のＰｅａｒｓｏｎの積率相関係数式を下記式（４）で表す。
相関係数α＝（指定範囲の０１Ｓと同範囲の０２Ａの共分散）／（同範囲の０１Ｓの標準偏差）／（同範囲の０２Ａの標準偏差）    （４）
【００４８】
光ファイバ３０のサンプル位置ｋを中心としたＰｅａｒｓｏｎの積率相関係数をα[ｋ]、０１Ｓの配列を０１Ｓ[ｋ]、０２Ａの配列を０２Ａ[ｋ]、指定範囲のサンプル数をｎ、０１Ｓ[ｋ]の指定範囲平均を０１Ｓａｖｅ、０２Ａ[ｋ]の指定範囲平均を０２Ａａｖｅとすると、上記式（４）は具体的に、下記式（５）のように表すことができる。
【数１】
2016181541.tif 000003
【００４９】
別の例として、変形のＳｐｅａｒｍａｎの順位相関係数を用いる場合には、まず、指定範囲（上記式（５）ではｎ）内の０１Ｓおよび０２Ａの、そのｎ個の中での順位付を行い、その順位どうしについて、Ｐｅａｒｓｏｎの積率相関係数を使うものである。同一順位がある場合は、補正式を使用するが、通常、ストークス成分およびアンチストークス成分に関しては、同一順位の発生はほぼ皆無であるため、最初に出現した方を上位とするという処理でよい。
【００５０】
たとえば、図６のインパルス応答で示される区間に上記条件に合致する範囲として±３．６ｍを設定し、図１６のデータに対してＰｅａｒｓｏｎの積率相関係数とＳｐｅａｒｍａｎの順位相関係数の比較を図２０に例示する。一般的に、Ｐｅａｒｓｏｎの積率相関係数は１もしくは−１のときを完全な相関、以下絶対値で０．７以上１未満を高い相関、０．４以上０．７未満を相関、０．２以上０．４未満を低い相関、０．２以下を相関無し、として扱う。しかしながら、相関無しの０．２以下の領域ではＳｐｅａｒｍａｎの方がより傾きが変化してしまうものの、低い相関範囲の０．３以上の値ではほぼ１：１となっており、図１６に対しては同等の結果をもたらす。規格化されていれば自作してもよいし、その他の相関係数を用いてももちろん構わない。
【００５１】
なお、図１８では相関係数の大きさの逆数を平均化範囲の指標としたが、必ずしも逆数を用いなくてもよい。相関係数が大きいほど平均化範囲を相対的に狭くし、相関係数が小さいほど平均化範囲を相対的に大きくすればよい。
【００５２】
図２１は、温度測定部２２が測定した温度を補正部２３が補正する際に実行するフローチャートの他の例である。図２１で例示するように、補正部２３は、図１８のステップＳ１〜ステップＳ３と同様のステップＳ１１〜ステップＳ１３を実行する。次に、補正部２３は、相関の大きさα＿０２Ｓおよびα＿０２Ａについて、ステップＳ１４〜ステップＳ１８を実行する。以下に、ステップＳ１４〜ステップＳ１８の詳細について説明する。相関の大きさα＿０２Ｓおよびα＿０２Ａについて、α＿と略して説明する。
【００５３】
補正部２３は、相関の大きさα＿が第１閾値以下（例えば０．２以下）であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４で「Ｙｅｓ」と判定された場合、温度測定部２２は、着目しているサンプル点の平均化範囲を平均化上限値まで広げる（ステップＳ１５）。平均化上限値は、例えば、片側６サンプルの計１１サンプルとすることができる。ステップＳ１４で「Ｎｏ」と判定された場合、補正部２３は、温度測定部２２は、相関係数αがステップＳ１４の第１閾値よりも大きい第２閾値（例えば０．５５）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１６で「Ｙｅｓ」と判定された場合、補正部２３は、平均化範囲を１とする（ステップＳ１７）。ステップＳ１６で「Ｎｏ」と判定された場合、温度測定部２２は、平均化範囲を、片側について、１／αの四捨五入した整数サンプル分とする（ステップＳ１８）。ステップＳ１５、ステップＳ１７またはステップＳ１８の実行後、図１８のステップＳ５と同様のステップＳ１９が実行される。この処理では、相関係数が所定の第２閾値以上である場合には、平均化が行われないことになる。
【００５４】
ステップＳ１１で「Ｎｏ」と判定された場合、図１８のステップＳ６〜ステップＳ８と同様のステップＳ２０〜ステップＳ２２が実行される。すなわち、ステップＳ２０で「Ｙｅｓ」と判定された場合、相関の大きさα＿０１Ｓおよびα＿０１Ａに対して、第１閾値および第２閾値を用いて平均化範囲が決定されて温度を算出し、ステップＳ２０で「Ｎｏ」と判定された場合は、通常のダブルエンド方式の温度の算出方法を行うものである。
【００５５】
図２２は、温度測定部２２が測定した温度を補正部２３が補正する際に実行するフローチャートの他の例である。図２２が図２１と異なる点について説明する。まず、光ファイバ３０の長さ方向の測定精度分布に基づき、光ファイバ３０を、０メートル（第１端）近傍の測定精度が劣る第１区間、中央の第３区間、Ｌメートル(第２端)近傍の測定精度が劣る第５区間、第１区間と第３区間との間の第２区間、第３区間と第５区間との間の第４区間に均等に分ける。補正部２３は、５つの各区間について図２２のフローチャートを実行する。
【００５６】
まず、補正部２３は、着目している光ファイバの区間が光ファイバ３０の総長の１／５以下の第１区間であるか否かを判定する（ステップＳ３１）。ステップＳ３１で「Ｙｅｓ」と判定された場合、補正部２３は、ステップＳ１２〜ステップＳ１９と同様の処理のステップＳ３２〜ステップＳ３９を実行する。
【００５７】
ステップＳ３１で「Ｎｏ」と判定された場合、補正部２３は、着目している光ファイバの区間が光ファイバ３０の総長の４／５以上であるか否かを判定する（ステップＳ４０）。ステップＳ４０で「Ｙｅｓ」と判定された場合、ステップＳ３２〜Ｓ３９と同様の処理を、０２Ｓと０１Ｓとを置き換え、０２Ａと０１Ａとを置き換えた後に実行する（ステップＳ４１）。ただし、相関係数に対する閾値や平均化上限値として異なる値を用いてもよい。
【００５８】
ステップＳ４０で「Ｎｏ」と判定された場合、補正部２３は、着目している区間が光ファイバ３０の総長の２／５以下もしくは３／５以上であるか否かを判定する（ステップＳ４２）。ステップＳ４２で「Ｙｅｓ」であり、かつ総長の２／５以下である場合、ステップＳ３２〜ステップＳ３９と同様の処理を実行する。ただし、相関係数に対する閾値や平均化上限値として異なる値を用いる、もしくは用いてもよい、ステップＳ４２で「Ｙｅｓ」であり、かつ総長の３／５以上である場合、ステップＳ４１と同様の処理を実行する。ただし、相関係数に対する閾値や平均化上限値として異なる値を用いる、もしくは用いてもよい。それにより、区間毎に変化する最小加熱長に対する補正を行うことができる。ステップＳ４２で「Ｎｏ」と判定された場合、ステップＳ２２と同様のステップＳ４４が実行される。
【００５９】
なお、図１８、図２１および図２２では、所定の範囲を最小加熱長の１次成分幅以下とした。これは、それを超えると平均化信号が隣接信号のクロストークの影響を大きく受ける可能性が高くなることに起因する。なお、たとえば、得られた相関係数が−１の場合は通常完全な相関に分類されるが、本願では、ノイズとして扱う。なぜならば、たとえば、温度上昇の場合、ストークスもアンチストークスも上に凸になり、温度低下の場合は両者とも下に凸になる。この場合、アンチストークスがストークスの成分を上下反転させたような形状になることはなく、そのような場合は通常、ノイズ状態か、もしくは、接続不良のコネクタや、屈折率差の大きいファイバどうしを融着やコネクタ接続するときのみであるためである。
【００６０】
図１８、図２１および図２２では区画の分割を３または５としたが、たとえば中心で分割した２区画や、その各区画をさらに半分にした４区画、さらにその半分の８区画などでも構わない。その場合は、０１Ｓ、０１Ａ、０２Ｓ、および０２Ａがすべて処理なしで温度が算出される中央区間がなくなるだけである。
【００６１】
本実施形態によれば、ダブルエンド方式を用い、第２端に光パルスを入射する場合に第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域における０２Ｓと０１Ｓとの相関係数および０２Ｓと０１Ａとの相関係数のうち少なくともいずれか一方に応じた平均化区間において０２Ｓが平均化される。この場合、０２Ｓのノイズが低減される。さらに、上記所定領域における０２Ａと０１Ｓとの相関係数および０２Ａと０１Ａとの相関係数のうち少なくともいずれか一方に応じた平均化区間において０２Ａが平均化される。この場合、０２Ａのノイズが低減される。これら平均化された０２Ｓおよび０２Ａを用いることにより、測定される温度を補正することができる。第１端に光パルスを入射する場合に第２端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域における０１Ｓと０２Ｓとの相関係数および０１Ｓと０２Ａとの相関係数のうち少なくともいずれか一方に応じた平均化区間において０１Ｓが平均化される。この場合、０１Ｓのノイズが低減される。さらに、上記所定領域における０１Ａと０２Ｓとの相関係数および０１Ａと０２Ａとの相関係数のうち少なくともいずれか一方に応じた平均化区間において０１Ａが平均化される。この場合、０１Ａのノイズが低減される。これら平均化された０１Ｓおよび０１Ａを用いることにより、測定される温度を補正することができる。なお、０２Ａを平均化する場合、０１Ｓと０１Ａは、光スイッチ１３によるスイッチに関して０２Ａの直前の成分であることが好ましいが、直前に限らず０２Ａよりも前の成分であってもよい。または、０２Ａよりも後の成分であってもよい。０１Ａを平均化する場合、０２Ｓと０２Ａは、光スイッチ１３によるスイッチに関して０１Ａの直前の成分であることが好ましいが、直前に限らず０１Ａよりも前の成分であってもよい。または０１Ａよりも後の成分であってもよい。
【００６２】
また、上記実施形態においては、平均化範囲においてストークス成分およびアンチストークス成分の平均値を求めているが、当該範囲においてデータのばらつきが抑制されていればよい。そこで、重み付けを考慮した相加平均や、相乗平均、調和平均などの他の平均を用いてもよい。また、０１Ｓと０２Ｓとの平均値および０１Ａと０２Ａとの平均値を求める場合に、重み付けを考慮した相加平均を用いてもよい。
【００６３】
なお、所定のサンプル点を含む所定領域におけるストークス成分とアンチストークス成分との相関の大きさに応じた平滑化範囲においてストークス成分およびアンチストークス成分を平滑化した上で上記の平均化処理を行ってもよい。この場合、測定される温度を補正することができる。例えば、上記相関が小さくなる場合にはノイズが大きく現れることから、両成分を平滑化することが好ましい。この場合、ノイズを低減することができる。また、上記相関が小さいほど平滑化の区間が長くなることが好ましい。この場合、よりノイズが低減される。平滑化区間の長さに上限を定めることが好ましい。この場合、平滑化区間の冗長が抑制され、温度測定精度低下が抑制される。なお、上記相関が小さいことは当該サンプル点周辺において温度変化が小さいことを意味するため、平滑化を行っても測定温度精度の低下は抑制される。一方、上記相関が大きくなる場合には、平滑化区間が短くなる、または補正されない。上記相関が大きい場合には当該サンプル点周辺において温度変化が大きいため、ノイズの影響が小さい。それにより、測定された温度の精度を維持することができる。ただし、図１８、図２１および図２２の処理において、アンチストークス成分同士の相関係数が高い場合には、平滑化処理を行わないことが好ましい。アンチストークス成分は小さいため、平滑化によって検出が困難になるためである。この処理を図２３で説明する。
【００６４】
図２３は、温度測定装置１００が温度測定を行う場合に実行するフローチャートの他の例である。補正部２３は、図１８のステップＳ３で０１Ａと０２Ａとの相関係数が閾値以下であるか否かを判定する（Ｓ５１）。ステップＳ５１で「Ｎｏ」と判定された場合、０１Ａと０２Ａとの相関が高いことになるため、フローチャートが終了する。それにより、アンチストークス成分の平滑化が行われず、図１８、図２１および図２２の処理の精度が維持される。
【００６５】
ステップＳ５１で「Ｙｅｓ」と判定された場合、補正部２３は、サンプル点を含み、最小加熱長応答波形の０次成分幅以上かつ１次成分幅以下の所定領域（指定範囲）のストークス成分とアンチストークス成分との相関の大きさαを、サンプル点ごとに求める（ステップＳ５２）。ここでのサンプル点は、光ファイバ３０の長さ方向における全ての温度測定対象点である。
【００６６】
次に、補正部２３は、相関係数αが閾値以下（例えば０．２以下）であるか否かを判定する（ステップＳ５３）。ステップＳ５３で「Ｙｅｓ」と判定された場合、補正部２３は、着目しているサンプル点の平滑化範囲を平滑化上限値まで広げる（ステップ５４）。平滑化上限値は、例えば、サンプル点を基準にして片側６サンプルの計１１サンプルとすることができる。ステップＳ５３で「Ｎｏ」と判定された場合、補正部２３は、平滑化範囲を、片側について、１／αの四捨五入した整数サンプル分とする（ステップＳ５５）。ステップＳ５４またはステップＳ５５の実行後、補正部２３は、決定した平滑化範囲においてストークス成分およびアンチストークスをそれぞれ平滑化する（ステップＳ５６）。具体的には、０１Ａと０１Ｓとの相関係数の大きさから決定した平滑化範囲で０１Ａおよび０１Ｓのどちらも平滑化し、０２Ａと０２Ｓとの相関係数の大きさから決定した平滑化範囲で０２Ａと０２Ｓのどちらも平滑化するものである。なお、相関係数αが１または１に近い値であれば、平滑化範囲が１となって、平滑化は行われない。図２３の平滑化処理は、図１８、図２１および図２２の他の領域におけるアンチストークス成分同士の相関係数が閾値以下の場合に行わないとしてもよい。
【００６７】
（他の適用例）
上記実施形態に係る温度測定装置１００は、様々な温度測定対象に適用することができる。例えば、図２４で例示するように、高温高圧の原料輸送配管の枝配管に光ファイバを敷設することが考えられる。このような高温高圧の配管では、ラッキング材および外側金属板により保温・保護がなされているため、接続継手部の腐食により漏洩が発生しても、火災事故等につながる甚大な状況にまで至らないと発見されない場合が多い。そこで、光ファイバの接続継手部に巻きつけておき、各光ファイバ位置の温度どうしの変化の相関関係を比較することで外気温や内部の温度・圧力が変化した場合でも正確に接続部の漏洩の有無を早期に検知することができる。各光ファイバ位置の温度どうしの相関関係を比較する手段として、各光ファイバ位置の温度を要素として分散共分散行列を生成し、マハラノビス距離やＭＳＤ法といった手法で外れ値検定を行う方法がある。
【００６８】
図２５は、一本の光ファイバで製作した多数の捲回部による通過空気温度の測定方法への適用を例示する。各捲回部は、ほぼ同一の直径で数周同一箇所に巻きつけられて隣接捲回部と接続されている。上記実施形態に係る測定機１０および制御部２０を用いて捲回部のそれぞれの平均温度を取得して各捲回部の中心位置座標の代表温度としてグラデーションを生成すれば、どのような温度分布の風が、ファイバが敷設されたシート・枠内を通過しているかを測定することができる。各捲回部に巻きつける周回数を増やせば増やすほど、平均される測定点数が増加して見かけの測定精度は向上するので、短時間の測定で所望の測定精度が得られる。なお、光ファイバ長を短くすることで、入射パルスの減衰が小さくなるので、測定精度が向上する。より短時間の測定で所望の測定精度を得るには、出力される温度データ自体が高精度であることが要求される。上記実施形態を適用すれば、この要求を実現することができる。
【００６９】
図２６（ａ）および図２６（ｂ）は、耐熱ファイバを用いて製作した捲回部を多数連結したファイバネットを溶融炉の表面に敷設した例を例示する。各ファイバネットは接続されるが、端部の２枚のネットの入口端と出口端のファイバは測定機１０および制御部２０に接続されて、ダブルエンド方式の測定を行う構成となっている。各ネット１〜３の位置と温度分布の関係を図２６（ｂ）で例示する２次元グラデーション表示にし、溶融炉の基準方位に対して各ネットの方位に相当する位置に生成した２次元グラデーションをはめ込むことで溶融炉の表面温度状態をわかりやすく可視化できる。閾値を設けて突発的な温度変化異常を管理する場合においても、図２４の適用例と同様に、各ネットの捲回部どうしの温度変化の相対的な関係の時間推移を用いてマハラノビス距離の変化やＭＳＤ法で算出した値の変化から異常の予兆を分析する場合においても、温度測定を高精度で行うことができる。
【００７０】
図２７（ａ）および図２７（ｂ）は、データセンターのサーバラックの上部に一直線に敷設した光ファイバを用いて空調管理を行うシステムへの適用を例示する。ハウジングサービスを主とするデータセンターの場合、サーバラックに対して敷設が許諾されないことがある。そこで、図２７（ａ）および図２７（ｂ）で例示するように、サーバラックの吸気面上部などに光ファイバを一直線もしくは一定程度排気面側に蛇行するなどの方法で敷設する。そして、あらかじめラック部の温度を何らかの方法で測定しておき、敷設した光ファイバで見て、何度の余裕があるかを対応付けて各ラックの上部に相当する光ファイバの各長さにそれぞれ警報の閾値を設定する。通常、サーバラックは６０ｃｍもしくは７０ｃｍ程度のものが一般的であるため、たとえばデータのサンプリング間隔が５０ｃｍの場合、測定点数は１点乃至２点のみであるため、ダブルエンド方式の測定レベルの測定精度が必要である。上記実施形態を適用することによって、高精度で温度測定が可能となる。閾値を超えるかもしくは越えそうになった場合に、空調を強めて余裕度を上げることができる制御が可能となり、省エネと安全が両立できる。
【００７１】
図２８は、ビニールハウス内での高級果物などの栽培及び盗難防止への適用を例示する。図２８の例は、たとえばクラウンメロンの栽培を前提としたものである。土中温度、周囲環境温度、果物温度などを測定するための光ファイバを設置し、さらに、乾湿計と同様の原理を利用した湿度管理用の光ファイバを設置し、ラマン散乱を用いて温度および湿度を測定することができる。ここで盗難者がメロンを盗難してメロンを引っ張ると、土中の光ファイバが引き抜かれ、温度が急峻に変化する。それをもって、盗難が発生していると警報を所有者に通知することができる。急峻な温度変化を確実に測定するには、システムの測定精度が良好であることが求められる。また、各温度の時間推移を詳細に管理して積分値管理を行い、良好な育成を行おうとすれば、同様にシステムの測定精度が良好であることを求められる。上記実施形態を用いることで、この要求を実現することができる。
【実施例１】
【００７２】
上記実施形態に従い、具体的な実施例について説明する。図１１〜図１７に対して、図２１の処理を行った。ただし、区間は３分割ではなく、中央２分割であり、ストークス成分およびアンチストークス成分を処理なしに平均化する場合は生じない。また、α_に関する第２閾値として０．６を採用した。図２９（ａ）〜（ｄ）に結果を例示する。【００７３】
図２９（ａ）〜図２９（ｄ）は算出結果を例示する。図２９（ａ）は０１Ｓおよび０１Ａについて、処理前後の比較である。図２９（ａ）で例示するように、処理前には遠端側でばらつきが見られたものの、処理後にはばらつきが抑制された。図２９（ｂ）は、お湯に浸漬した領域近傍を拡大したものである。図２９（ｂ）で例示するように、特にアンチストークス成分について、処理前のばらつきが処理後には大きく抑制された。図２９（ｃ）は、０２Ｓおよび０２Ａについて、処理前後の比較である。図２９（ｃ）で例示するように、遠端である０（ｍ）近傍でばらつきが見られたものの、処理後にはばらつきが抑制された。図２９（ｄ）は、お湯に浸漬した領域の拡大図である。図２９（ｄ）で例示するように、図２９（ｂ）と比べるとわずかに改善しているが、ほぼ処理なしに近い。これは、近端のため、ノイズ成分が小さいためである。【００７４】
図３０および図３１は、図２１のフローチャートに基づいて決定した片側平均化要素数の関係を示している。図３１は、図３０の一部拡大図である。この平均化要素数に基づき、今着目している地点のストークス成分およびアンチストークス成分が平均化処理される。ただし、図２１との違いとして、もう一つ、本実施例では、上限値を（現在の自分の位置を含めて）５としているので、最大の平均化要素数は９になっている。【００７５】
図３１を図２９（ａ）〜図２９（ｄ）と比較すると、温度変化が生じてストークス成分およびアンチストークス成分の両方に変化がある場合は相関係数が最大となる１に近づき、逆に平均化要素数は最小となる１になっていることがわかる。図２９（ａ）〜図２９（ｄ）、図３０および図３１からダブルエンド方式の測定の温度を算出したものが図３２および図３３である。算出には、上記式（２）を用いた。図３２およびお湯に浸漬した部分拡大図である図３３によれば、温度変化の成分が失われることなく、雑音成分が抑圧されていることがわかる。【００７６】
図３２および図３３の温度は、上記式（２）で算出した。相関係数が１である位置では平均化要素数が１となるため、処理前後の温度は変わらない。そこで、処理後に使用するゲインとオフセット値は処理前に使用するものと同じものとする必要があるため、下記式（６）で表される。
処理後温度＝ゲイン／｛オフセット−２×ｌｎ(処理後平均アンチストークス光量／処理後平均ストークス光量）｝        （６）【００７７】
図３４は、処理前後の温度分布の定量的な比較を示す。温度変化位置ではいずれの場合も処理前後で変化がないため、平坦部での標準偏差値３σを比較する。図３４で例示するように、２９％〜７６％のノイズ抑圧が達成されている。２９％が得られたのは、もともとの測定精度が±２℃以下の場合である。７０％以上が得られたのは、もともとの測定精度が±５℃以上の場合である。測定時間比較にすると、上記実施形態の処理で得られた７６％の抑圧効果の場合、測定精度は４．３分の１倍になったことになる。したがって、同一の測定精度の場合、測定時間は処理前を１８として、処理後が１となる程度に圧縮される。また、図１１でダブルエンド方式での測定時は中央の２８００ｍ〜２９００ｍ位置の測定精度に対して１００ｍ〜２００ｍおよび５６００ｍ〜５７００ｍの位置は３倍であったが、上記実施形態の処理により、ほぼ均一に抑圧されていることもわかる。
【実施例２】
【００７８】
実施例１とは異なる測定対象および測定周期にて得た温度分布についての具体的な実施例について説明する。適用した処理方法は実施例１とほぼ同じであるが、光ファイバ３０を第１区間〜第３区間に３分割したが、区間幅比を４：２：４とした。また、α_に関する所定の値２としては０．６を採用した。図３５（ａ）〜図３５（ｄ）で結果を例示する。【００７９】
図３５（ａ）〜図３５（ｄ）は、０１Ｓおよび０１Ａについて、処理前後の結果を例示する。図３５（ａ）で例示するように、処理前には遠端側でばらつきが見られたものの、処理後にはばらつきが抑制された。図３５（ｂ）は、加熱領域近傍を拡大したものである。図３５（ｂ）で例示するように、特にアンチストークス成分について、処理前のばらつきが処理後には大きく抑制された。図３５（ｃ）は、０２Ｓおよび０２Ａについて、処理前後の比較である。図３５（ｃ）で例示するように、遠端である０（ｍ）近傍でばらつきが見られたものの、処理後にはばらつきが抑制された。図３５（ｄ）は、加熱領域の拡大図である。図３５（ｄ）で例示するように、図３５（ｂ）と比べるとわずかに改善しているが、ほぼ処理なしに近い。これは、近端のため、ノイズ成分が小さいためである。【００８０】
図３６および図３７は、図２１のフローチャートに基づいて決定した片側平均化要素数の関係を例示する。この平均化要素数に基づき、今着目している地点のストークス成分およびアンチストークス成分が平均化処理される。ただし、図２１との違いとして、もう一つ、本実施例では、上限値を（現在の自分の位置を含めて）５としているので、最大の平均化要素数は９になっている。【００８１】
図３７を図３５（ａ）〜図３５（ｄ）と比較すると、温度変化が生じてストークス成分およびアンチストークス成分の両方に変化がある場合は相関係数が最大となる１に近づき、逆に平均化要素数は最小となる１になっていることがわかる。【００８２】
図３５（ａ）〜図３５（ｄ）、図３６および図３７からダブルエンド方式の温度算出をおこなったものが図３８および図３９である。図３８および加熱部分の拡大である図３９によれば、温度変化の成分が失われることなく、雑音成分が抑圧されていることがわかる。図４０は、処理前後の温度分布の定量的な比較を例示する。温度変化位置ではいずれの場合も処理前後で変化がないため、平坦部での標準偏差値３σを比較する。図４０で例示するように、６４％〜７６％のノイズ抑圧が達成されている。中央近傍も大きな数字が達成されているのは、３区画に分けた効果と思われる。２８００ｍ〜２９００ｍに対して３００ｍ〜４００ｍおよび５８３０ｍ〜５９２０ｍは割合としては処理前に対して改善がなされていないが、定量的には１０℃前後の大きな改善であると言える。
【実施例３】
【００８３】
図２３の処理をあらかじめ行った０１Ｓ、０１Ａ、０２Ｓ、０２Ａに対して実施例１の処理を行ったものを実施例３とする。この、あらかじめ行った処理を、「第１処理」とし、実施例１で開示した処理を「第２処理」とする。図４１は、図２９（ａ）〜（ｄ）に相当するものである。「第１処理」と「第２処理」を行うことで信号成分を低下させることなく、さらにばらつきが抑制されている。つまり、大きなノイズ低減効果が得られていることがわかる。図３２および図３３に相当するのが図４２および図４３である。温度分布でも温度の変化している成分を抑圧することなく、さらに大きなノイズ低減効果が得られていることが確認できた。図３４に相当するのが図４４である。第１、第２処理前後の温度分布の定量的な比較を行っている。図３４と比較して、第２処理のみの場合、ノイズの抑圧効果は１００ｍ〜２００ｍの位置で７６％、５６００ｍ〜５７００ｍの位置で７４％であったが、それぞれ８３％、８１％に増加している。結果として、測定精度は±１〜±１．１℃と、どの区間でも差異のない結果を得ることができた。【００８４】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【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５】
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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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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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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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年11月28日(2017.11.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの第１端に光が入射する場合の後方散乱光から第１ストークス成分および第１アンチストークス成分を検出し、前記光ファイバの第２端に光が入射する場合の後方散乱光から第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を検出する検出器と、
前記光ファイバの前記第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分の少なくともいずれか一方と、前記第２ストークス成分との第１相関に応じて前記サンプル点を含む第１区間を算出し、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分の少なくともいずれか一方と、前記第２アンチストークス成分との第２相関に応じて前記サンプル点を含む第２区間を算出し、前記第１区間において前記第２ストークス成分を平滑化し、前記第２区間において前記第２アンチストークス成分を平滑化する補正部と、
平滑化後の前記第２ストークス成分、平滑化後の前記第２アンチストークス成分、前記第１ストークス成分、および前記第２ストークス成分を用いて前記サンプル点における温度を測定する測定部と、を備えることを特徴とする温度測定装置。
【請求項２】
光源からの光を前記第１端と前記第２端とに交互に入射する光スイッチを備え、
前記補正部は、前記光スイッチから前記第１端に前記光が入射される場合の第１ストークス成分および第１アンチストークス成分と、次に前記光スイッチから前記第２端に前記光が入射される場合の第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を用いて前記第１区間および前記第２区間を算出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】
前記補正部は、前記第１相関が小さいほど前記第１区間を長くし、前記第２相関が小さいほど前記第２区間を長くすることを特徴とする請求項１または２記載の温度測定装置。
【請求項４】
前記補正部は、前記第１区間および前記第２区間に上限を設定することを特徴とする請求項３記載の温度測定装置。
【請求項５】
前記補正部は、前記第１相関が閾値以上であれば前記第２ストークス成分を平滑化せず、前記第２相関が閾値以上であれば前記第２アンチストークス成分を平滑化しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の温度測定装置。
【請求項６】
前記所定領域は、前記サンプル点の周囲の光ファイバを一定温度とし、前記サンプル点を中心とした最小加熱長区間に該一定温度と異なる一定の温度を付与した際に得られる温度分布の半値幅よりも大きく、１次成分幅よりも小さい領域であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の温度測定装置。
【請求項７】
光ファイバの第１端に光が入射する場合の後方散乱光から第１ストークス成分および第１アンチストークス成分を検出し、前記光ファイバの第２端に光が入射する場合の後方散乱光から第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を、検出器を用いて検出し、
前記光ファイバの前記第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分の少なくともいずれか一方と、前記第２ストークス成分との第１相関に応じて前記サンプル点を含む第１区間を算出し、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分の少なくともいずれか一方と、前記第２アンチストークス成分との第２相関に応じて前記サンプル点を含む第２区間を算出し、前記第１区間において前記第２ストークス成分を平滑化し、前記第２区間において前記第２アンチストークス成分を平滑化し、
平滑化後の前記第２ストークス成分、平滑化後の前記第２アンチストークス成分、前記第１ストークス成分、および前記第２ストークス成分を用いて前記サンプル点における温度を測定する、ことを特徴とする温度測定方法。
【請求項８】
コンピュータに、
光ファイバの第１端に光が入射する場合の後方散乱光から第１ストークス成分および第１アンチストークス成分を検出し、前記光ファイバの第２端に光が入射する場合の後方散乱光から第２ストークス成分および第２アンチストークス成分を検出する処理と、
前記光ファイバの前記第１端側の一部の領域のサンプル点を含む所定領域において、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分の少なくともいずれか一方と、前記第２ストークス成分との第１相関に応じて前記サンプル点を含む第１区間を算出し、前記第１ストークス成分および前記第１アンチストークス成分の少なくともいずれか一方と、前記第２アンチストークス成分との第２相関に応じて前記サンプル点を含む第２区間を算出し、前記第１区間において前記第２ストークス成分を平滑化し、前記第２区間において前記第２アンチストークス成分を平滑化する処理と、
平滑化後の前記第２ストークス成分、平滑化後の前記第２アンチストークス成分、前記第１ストークス成分、および前記第２ストークス成分を用いて前記サンプル点における温度を測定する処理と、を実行させることを特徴とする温度測定プログラム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７８】
実施例１とは異なる測定対象および測定周期にて得た温度分布についての具体的な実施例について説明する。適用した処理方法は実施例１とほぼ同じであるが、光ファイバ３０を第１区間〜第３区間に３分割したが、区間幅比を４：２：４とした。また、α_に関する所定の第２閾値としては０．６を採用した。図３５（ａ）〜図３５（ｄ）で結果を例示する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３０】
2016181541.tif 000048
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３６】
2016181541.tif 000049
【国際調査報告】
2016181541.tif 000050
2016181541.tif 000051
2016181541.tif 000052
2016181541.tif 000053