(57)【要約】【課題】  被測定光ファイバによる測定可能長を大幅に拡大しても温度分布を精度良く測定する。【解決手段】  被測定光ファイバ１８の一端から測定用光源１からのパルス光（測定用パルス光）を入射し、被測定光ファイバ１８の長手方向における各位置から一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して被測定光ファイバ１８の長手方向の温度分布を測定するに際し、補正用光源１２により被測定光ファイバ１８の一端からパルス光（補正用パルス光）を入射し、ＡＰＤ１３によりパルス光（測定用パルス光）によるラマン散乱光に含まれる反ストークス光とパルス光（補正用パルス光）によるレーリー散乱光とを検出し、ＣＰＵ１５Ａ及び平均化処理部１５により反ストークス光に基づいて測定される温度分布をパルス光（補正用パルス光）によるレーリー散乱光に基づいて補正する。【選択図】  図１
2006308541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定光ファイバの一端から測定用パルス光を入射し、前記被測定光ファイバの長手方向における各位置から前記一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して前記被測定光ファイバの長手方向の温度分布を測定する温度分布測定方法であって、
前記一端から補正用パルス光を入射し、
前記測定用パルス光によるラマン散乱光に含まれる反ストークス光と前記補正用パルス光による後方散乱光とを検出し、
前記反ストークス光に基づいて測定される温度分布を前記補正用パルス光による後方散乱光に基づいて補正する
ことを特徴とする温度分布測定方法。
【請求項２】
前記一端から前記反ストークス光を増幅させるための励起光を入射することを特徴とする請求項１に記載の温度分布測定方法。
【請求項３】
前記励起光は、前記反ストークス光の波長帯に対しラマン増幅によるシフト量に対応した短い波長帯であることを特徴とする請求項２に記載の温度分布測定方法。
【請求項４】
前記補正用パルス光による後方散乱光は、前記反ストークス光と同一波長帯であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の温度分布測定方法。
【請求項５】
前記補正用パルス光による後方散乱光は、レーリー散乱光であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の温度分布測定方法。
【請求項６】
検出された前記反ストークス光と前記補正用パルス光による後方散乱光とのデータの比を求め、温度データを得ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の温度分布測定方法。
【請求項７】
被測定光ファイバの一端から測定用パルス光を入射し、前記被測定光ファイバの長手方向における各位置から前記一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して前記被測定光ファイバの長手方向の温度分布を測定する温度分布測定方法であって、
前記測定用パルス光によるラマン散乱光に含まれる反ストークス光と前記測定用パルス光による後方散乱光のうちのレーリー散乱光とを検出し、
この検出したレーリー散乱光を補正用パルス光とし、前記反ストークス光に基づいて測定される温度分布を、前記補正用パルス光としたレーリー散乱光に基づいて補正する
ことを特徴とする温度分布測定方法。
【請求項８】
前記一端から前記反ストークス光を増幅させるための励起光を入射することを特徴とする請求項７に記載の温度分布測定方法。
【請求項９】
前記励起光は、前記反ストークス光の波長帯に対しラマン増幅によるシフト量に対応した短い波長帯であることを特徴とする請求項８に記載の温度分布測定方法。
【請求項１０】
検出された前記反ストークス光と前記補正用パルス光によるレーリー散乱光とのデータの比を求め、温度データを得ることを特徴とする請求項７〜９に記載の温度分布測定方法。
【請求項１１】
被測定光ファイバの一端から測定用パルス光を入射し、前記被測定光ファイバの長手方向における各位置から前記一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して前記被測定光ファイバの長手方向の温度分布を測定する温度分布測定装置であって、
前記一端から補正用パルス光を入射する補正用光源と、
前記測定用パルス光によるラマン散乱光に含まれる反ストークス光と前記補正用パルス光による後方散乱光とを検出する光検出手段と、
前記反ストークス光に基づいて測定される温度分布を前記補正用パルス光による後方散乱光に基づいて補正する温度分布補正手段とを備える
ことを特徴とする温度分布測定装置。
【請求項１２】
前記一端から前記反ストークス光を増幅させるための励起光を入射する励起用光源を有することを特徴とする請求項１１に記載の温度分布測定装置。
【請求項１３】
前記励起光は、前記反ストークス光の波長帯に対しラマン増幅によるシフト量に対応した短い波長帯であることを特徴とする請求項１２に記載の温度分布測定装置。
【請求項１４】
前記補正用パルス光による後方散乱光は、前記反ストークス光と同一波長帯であることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の温度分布測定装置。
【請求項１５】
前記補正用パルス光による後方散乱光は、レーリー散乱光であることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載の温度分布測定装置。
【請求項１６】
検出された前記反ストークス光と前記補正用パルス光による後方散乱光のデータの比を求め、温度データを得る温度データ取得手段を有することを特徴とする請求項１１〜１５のいずれかに記載の温度分布測定装置。
【請求項１７】
被測定光ファイバの一端から測定用パルス光を入射し、前記被測定光ファイバの長手方向における各位置から前記一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して前記被測定光ファイバの長手方向の温度分布を測定する温度分布測定装置であって、
前記測定用パルス光によるラマン散乱光に含まれる反ストークス光と前記測定用パルス光による後方散乱光のうちのレーリー散乱光とを検出する光検出手段と、
この光検出手段により検出されたレーリー散乱光を補正用パルス光とし、前記反ストークス光に基づいて測定される温度分布を、前記補正用パルス光としたレーリー散乱光に基づいて補正する温度分布補正手段とを備える
ことを特徴とする温度分布測定装置。
【請求項１８】
前記一端から前記反ストークス光を増幅させるための励起光を入射する励起用光源を有することを特徴とする請求項１７に記載の温度分布測定装置。
【請求項１９】
前記励起光は、前記反ストークス光の波長帯に対しラマン増幅によるシフト量に対応した短い波長帯であることを特徴とする請求項１８に記載の温度分布測定装置。
【請求項２０】
検出された前記反ストークス光と前記補正用パルス光によるレーリー散乱光とのデータの比を求め、温度データを得ることを特徴とする請求項１７〜１９に記載の温度分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定光ファイバ内にパルス光を入射し、帰還したラマン散乱光に基づいて被測定光ファイバの長手方向の各位置における温度分布を測定する温度分布測定方法及び温度分布測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＯＴＤＲ（Optical Time-Domain Reflectometry）技術を利用し、光ファイバを用いて長距離に渡る温度分布を測定する装置が知られている。係る温度分布測定装置では、出力パルス光源から発生される出力光パルスが、被測定光用の光ファイバに入射される。
【０００３】
パルス光が入射されると、光ファイバで散乱が起こり、一部は後方散乱光として光ファイバの入射端に帰還する。
【０００４】
ここで、後方散乱光には、ラマン散乱により波長が一定量シフトしたラマン散乱光が含まれる。ラマン散乱光には、入射光に対して波長が長波長側にシフトしたストークス光と、短波長側にシフトした反ストークス光とがある。
【０００５】
ラマン散乱光は、光ファイバを構成する分子の熱振動との相互作用により発生するものであり、光ファイバ各部の温度によりその強度が敏感に変化する特性を有している。また、ストークス光及び反ストークス光の強度は絶対温度に依存しているため光ファイバの温度を測定することができる。また、ラマン散乱光が帰還するまでの時間を計測することにより、光ファイバ内での散乱の生じた位置を測定できる。これにより光ファイバの距離に沿った温度分布を測定することができる。
【０００６】
さらに、光ファイバに生じた種々の変動や光源の変動等により、測定されたストークス光及び反ストークス光にノイズが重畳されてしまうので、そのノイズ低減のためにそれらのデータを加算し、平均を算出したデータを得るようにしている。そして、算出されたデータから時間が距離として換算され、光強度が温度に換算されて光ファイバの長手方向における各位置での温度分布が求められる。
【特許文献１】特開平０６−３３１４５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、このような光ファイバの長手方向の各位置における温度分布を求める方法では、光ファイバによる観測可能長を延ばそうとすると、その光ファイバが長くされることに伴い、光ファイバに入射されるパルス光の光損失等によってＳＮ比等が劣化してしまうことから、パルス光源の光パワーを増大させることが一般的に行われている。
【０００８】
すなわち、たとえば１０ｋｍの光ファイバの長手方向の各位置における温度分布を測定しようとする場合、光源からたとえば＋３０ｄＢの光パワーで入射させると、光検出器に入射する光パワーはたとえば−１７ｄＢとなる。
【０００９】
ただし、ストークス光及び反ストークス光は、その光パワーよりもたとえば１０ｄＢ以上低くなる。すなわち、サーキュレータやその他の光デバイスでの光損失を含めると、−３０ｄＢ以下の非常に微弱な光パワーとなってしまう可能性があり、上述したようにパルス光源の光パワーを増大させることが必要となる。
【００１０】
ところが、パルス光源の光パワーを増大させ続け、ある閾値を超えると、誘導ラマン散乱現象による誘導放出が起こり、長波長側に一定量シフトしたストークス光へのエネルギー転換が生じてストークス光の出力が増大してしまう。従ってパルス光の光源パワーを増加させてもエネルギー転換によりパルス光出力は増大せず、さらにエネルギー転換によりストークス光の出力が増大してしまうと、ストークス光と反ストークス光との強度比により温度に換算する際のリファレンスがとれなくなり、温度測定の精度劣化を招いてしまう。
【００１１】
そのため、パルス光源の光パワー増大には限界があり、長距離の光ファイバによる長手方向の各位置における温度分布を正確に測定することが困難となっている。
【００１２】
このような光ファイバによる長手方向の各位置における温度分布を測定するものとして、特許文献１では、被温度測定領域に配設される光ファイバの入射端からパルス光を入射し、該入射端から出射する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の強度信号を測定して該強度信号の波形から光ファイバの長手方向における温度分布を検出するに際し、ラマン散乱光を増幅する制御手段により、パルス光が光ファイバに入射してから所定時間経過した後、増幅手段の増幅率がそれ以前よりも高くなるように制御するようにした光ファイバ式温度分布測定装置を提案している。
【００１３】
ところで、上述した特許文献１では、光ファイバの入射端からパルス光が入射されて経路を往復して劣化した散乱光の信号を受光した後、信号を増幅するように制御されることにより、入射端より遠方において発生したラマン散乱光の信号レベルが測定可能なレベルまで高められるものと考えられる。
【００１４】
ところが、ラマン散乱光の信号レベルは、上述したように、非常に微弱なものであり、光ファイバの観測可能長が長くされるに従い、ラマン散乱光の光損失等がさらに増大されることになる。
【００１５】
そのため、光検出器に入射されるラマン散乱光の増幅率を高めたとしても、増幅前のラマン散乱光のＳＮ比が元々劣化していることから、光ファイバによる長手方向の各位置における温度分布の測定精度が劣化してしまい、長距離測定には限界があるという問題があった。
【００１６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決することができる温度分布測定方法及び温度分布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】
【００１７】
本発明の温度分布測定方法は、被測定光ファイバの一端から測定用パルス光を入射し、前記被測定光ファイバの長手方向における各位置から前記一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して前記被測定光ファイバの長手方向の温度分布を測定する温度分布測定方法であって、前記一端から補正用パルス光を入射し、前記測定用パルス光によるラマン散乱光に含まれる反ストークス光と前記補正用パルス光による後方散乱光とを検出し、前記反ストークス光に基づいて測定される温度分布を前記補正用パルス光による後方散乱光に基づいて補正することを特徴とする。
また、前記一端から前記反ストークス光を増幅させるための励起光を入射するようにすることができる。
また、前記励起光は、前記反ストークス光の波長帯に対しラマン増幅によるシフト量に対応した短い波長帯であるようにすることができる。
また、前記補正用パルス光による後方散乱光は、前記反ストークス光と同一波長帯であるようにすることができる。
また、前記補正用パルス光による後方散乱光は、レーリー散乱光であるようにすることができる。
また、検出された前記反ストークス光と前記補正用パルス光による後方散乱光とのデータの比を求め、温度データを得るようにすることができる。
本発明の温度分布測定方法は、被測定光ファイバの一端から測定用パルス光を入射し、前記被測定光ファイバの長手方向における各位置から前記一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して前記被測定光ファイバの長手方向の温度分布を測定する温度分布測定方法であって、前記測定用パルス光によるラマン散乱光に含まれる反ストークス光と前記測定用パルス光による後方散乱光のうちのレーリー散乱光とを検出し、この検出したレーリー散乱光を補正用パルス光とし、前記反ストークス光に基づいて測定される温度分布を、前記補正用パルス光としたレーリー散乱光に基づいて補正することを特徴とする。
また、前記一端から前記反ストークス光を増幅させるための励起光を入射するようにすることができる。
また、前記励起光は、前記反ストークス光の波長帯に対しラマン増幅によるシフト量に対応した短い波長帯であるようにすることができる。
また、検出された前記反ストークス光と前記補正用パルス光によるレーリー散乱光とのデータの比を求め、温度データを得るようにすることができる。
本発明の温度分布測定装置は、被測定光ファイバの一端から測定用パルス光を入射し、前記被測定光ファイバの長手方向における各位置から前記一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して前記被測定光ファイバの長手方向の温度分布を測定する温度分布測定装置であって、前記一端から補正用パルス光を入射する補正用光源と、前記測定用パルス光によるラマン散乱光に含まれる反ストークス光と前記補正用パルス光による後方散乱光とを検出する光検出手段と、前記反ストークス光に基づいて測定される温度分布を前記補正用パルス光による後方散乱光に基づいて補正する温度分布補正手段とを備えることを特徴とする。
また、前記一端から前記反ストークス光を増幅させるための励起光を入射する励起用光源を有するようにすることができる。
また、前記励起光は、前記反ストークス光の波長帯に対しラマン増幅によるシフト量に対応した短い波長帯であるようにすることができる。
また、前記補正用パルス光による後方散乱光は、前記反ストークス光と同一波長帯であるようにすることができる。
また、前記補正用パルス光による後方散乱光は、レーリー散乱光であるようにすることができる。
また、検出された前記反ストークス光と前記補正用パルス光による後方散乱光のデータの比を求め、温度データを得る温度データ取得手段を有するようにすることができる。
本発明の温度分布測定装置は、被測定光ファイバの一端から測定用パルス光を入射し、前記被測定光ファイバの長手方向における各位置から前記一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して前記被測定光ファイバの長手方向の温度分布を測定する温度分布測定装置であって、前記測定用パルス光によるラマン散乱光に含まれる反ストークス光と前記測定用パルス光による後方散乱光のうちのレーリー散乱光とを検出する光検出手段と、この光検出手段により検出されたレーリー散乱光を補正用パルス光とし、前記反ストークス光に基づいて測定される温度分布を、前記補正用パルス光としたレーリー散乱光に基づいて補正する温度分布補正手段とを備えることを特徴とする。
また、前記一端から前記反ストークス光を増幅させるための励起光を入射する励起用光源を有するようにすることができる。
また、前記励起光は、前記反ストークス光の波長帯に対しラマン増幅によるシフト量に対応した短い波長帯であるようにすることができる。
また、検出された前記反ストークス光と前記補正用パルス光によるレーリー散乱光とのデータの比を求め、温度データを得るようにすることができる。
本発明の温度分布測定方法及び温度分布測定装置では、被測定光ファイバの一端から測定用パルス光を入射し、被測定光ファイバの長手方向における各位置から一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して被測定光ファイバの長手方向の温度分布を測定するに際し、励起用光源により被測定光ファイバの一端から励起用パルス光を入射し、測定用パルス光による反ストークス光を増幅し、補正用光源により被測定光ファイバの一端から補正用パルス光を入射し、光検出手段により測定用パルス光によるラマン散乱光に含まれる反ストークス光と補正用パルス光による後方散乱光とを検出し、温度分布補正手段により反ストークス光に基づいて測定される温度分布を補正用パルス光による後方散乱光に基づいて補正することができる。
すなわち、温度分布を精度良く測定するためには、温度に敏感に反応する反ストークス光が有効である。ただし、その反ストークス光は非常に微弱であるため、被測定光ファイバの一端に帰還するとき、反ストークス光の強度が下がってしまい、測定精度が劣化してしまうことになる。このことは被測定光ファイバが長くなると顕著となる。そこで、励起用光源により被測定光ファイバの一端から励起用パルス光を入射し、測定用パルス光による反ストークス光を増幅し、被測定光ファイバの一端から補正用パルス光を入射し、補正用パルス光による後方散乱光を検出することにより、反ストークス光の強度の低下を補うことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、被測定光ファイバの一端から測定用パルス光を入射し、被測定光ファイバの長手方向における各位置から一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して被測定光ファイバの長手方向の温度分布を測定するに際し、励起用光源により被測定光ファイバの一端から励起用パルス光を入射し、測定用パルス光による反ストークス光を増幅し、補正用光源により被測定光ファイバの一端から補正用パルス光を入射し、光検出手段により反ストークス光と補正用パルス光による後方散乱光とを検出し、温度分布補正手段により反ストークス光に基づいて測定される温度分布を補正用パルス光による後方散乱光に基づいて補正するようにしたので、被測定光ファイバによる測定可能長を大幅に拡大し、さらに温度分布を精度良く測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本実施形態では、たとえば１５５０ｎｍのパルス光を被測定光ファイバに入射し、被測定光ファイバの長手方向の各位置にて反射される後方散乱光のうち、温度依存性のあるラマン散乱光の反ストークス光（たとえば１４５０ｎｍ）のみを用いて被測定光ファイバの長手方向の各位置における温度分布の測定を行う。その際、補正用光源からの補正用パルス光による後方散乱光から光損失を測定し、その光損失に応じて温度分布を補正するようにしている。
【００２０】
また、本実施形態では、ラマン散乱光に含まれる反ストークス光の波長帯に対しラマンシフト量に対応した短い波長帯の励起光を励起用光源から入射し、被測定光ファイバの長手方向の各位置での反ストークス光を増幅させるようにしている。
【００２１】
ここで、反ストークス光をたとえば１．４５μｍ（１４５０ｎｍ）とした場合、１／λｐ＝１／λｓ＋０．０４４μｍ−１の関係があり、λｐ＝１．３６μｍとなる。ただし、λｐ，λｓは、それぞれ励起光、信号光（反ストークス光）の波長である。
【００２２】
よって、たとえば１５５０ｎｍのパルス光を入射すると、１４５０ｎｍの反ストークス光の散乱光が発生し、励起光の波長を１３６０ｎｍ帯とすることで、誘導ラマン散乱が生じて１４５０ｎｍ帯にエネルギー転換するので、測定用光源の光パワーの増大に伴う誘導ラマン散乱の誘発を生じさせることなく、反ストークス光の増幅が可能となる。
【００２３】
これにより、光ファイバによる観測可能長は、光ファイバ中を伝播する往復の光損失、使用する被測定光ファイバ等の光構成部品、測定用光源の光パワーの制限等により、１０ｋｍ程度が限界であったが、反ストークス光と同波長帯のパルス光による温度分布補正と励起光による反ストークス光の増幅とにより、高精度の測定が可能になると共に、被測定光ファイバの観測可能長の限界が大幅に拡大される。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明の詳細を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の温度分布測定装置の一実施形態を示すブロック図、図２〜図３は、図１の温度分布測定装置における温度分布測定方法を説明するための図である。
【００２５】
図１に示す温度分布測定装置は、測定用光源１、増幅器２、ＷＤＭ（波長分割多重）カップラ３、１０：１光カップラ７、反射モニタ８、出力モニタ９、カップラ１１、補正用光源１２、ＡＰＤ（アバランシュフォトダイオード）１３、タイミング制御部１４、ＣＰＵ１５Ａ、表示部１６、励起用光源１７を備えている。
【００２６】
なお、図中、符号１０は光入出力ポートであり、符号１５は平均化処理部であり、符号１８は被測定光用となる被測定光ファイバである。
【００２７】
測定用光源１は、たとえば１５５０ｎｍの波長のパルス光を出力する半導体レーザである。増幅器２は、たとえばＥＤＦＡ（エルビウム添加光ファイバ増幅器）であり、測定用光源１からのパルス光（測定用パルス光）を増幅する。
【００２８】
ＷＤＭカップラ３は、増幅器２によって増幅された測定用光源１からのパルス光と補正用光源１２からのパルス光との波長分割多重を行う。
【００２９】
１０：１光カップラ７は、ＷＤＭカップラ３と光入出力ポート１０との間でのパルス光の通過割合を１０／１１とし、反射モニタ８及び出力モニタ９との通過割合を１／１１とする。
【００３０】
反射モニタ８は、光入出力ポート１０に接続される図示しない光コネクタの接続状況を監視するものであり、散乱光量の増加を検出することで、光コネクタが外れたことを検出し、ＣＰＵ１５Ａに通知する。その際、ＣＰＵ１５Ａは、人体への危険を回避する目的で測定用光源１及び補正用光源１２の駆動を停止させる。
【００３１】
出力モニタ９は、測定用光源１及び補正用光源１２からのパルス光がそれぞれ規定通り出力されているか否かを監視する。カップラ１１は、補正用光源１２からのパルス光をＷＤＭカップラ３側へ通過させるとともに、光入出力ポート１０を介して被測定光ファイバ１８から帰還する測定用光源１及び補正用光源１２からのパルス光による後方散乱光をＡＰＤ１３側へ通過させる。
【００３２】
補正用光源１２は、被測定光ファイバ１８の各位置から反射される後方散乱光のうち、温度依存性のあるラマン散乱光の反ストークス光（たとえば１４５０ｎｍ）と同波長帯のたとえば１４５０ｎｍのパルス光（補正用パルス光）を出力する半導体レーザである。
【００３３】
光検出手段としてのＡＰＤ１３は、測定用光源１からのパルス光（たとえば１５５０ｎｍ）による反ストークス光（たとえば１４５０ｎｍ）と、補正用光源１２からのパルス光（たとえば１４５０ｎｍ）による後方散乱光のうちのレーリー散乱光とを検出する。このレーリー散乱光は、被測定光ファイバ１８の長手方向の各位置における温度分布の測定の補正用として用いられる。
【００３４】
タイミング制御部１４は、測定用光源１及び補正用光源１２におけるパルス光のパルス幅と発生周期とを制御する。
【００３５】
温度分布補正手段及び温度データ取得手段としてのＣＰＵ１５Ａは、反ストークス光に基づいて測定される温度分布を補正用パルス光による後方散乱光に基づいて補正するものであり、ＡＰＤ１３からの上述した測定用光源１からのパルス光による反ストークス光と、補正用光源１２からのパルス光による後方散乱光のうちのレーリー散乱光とを図示しないＡ／Ｄ変換器によりデジタルデータに変換するものであって、平均化処理部１５を有している。
【００３６】
平均化処理部１５は、図示しないＡ／Ｄ変換器により変換されたデジタルデータに基づき、ノイズ低減のためにその反ストークス光及びレーリー散乱光のデータを加算し、平均を算出したデータを得、その後、反ストークス光とレーリー散乱光との比を求め、温度データを得る。
【００３７】
なお、被測定光ファイバ１８の長手方向の各位置は、ＣＰＵ１５Ａによる上述した反ストークス光及びレーリー散乱光の帰還時間が演算されることで、求められる。
【００３８】
表示部１６は、平均化処理部１５及びＣＰＵ１５Ａによる処理結果や、反射モニタ８及び出力モニタ９による監視状況等を表示する。
【００３９】
励起用光源１７は、測定用光源１からのパルス光（たとえば１５５０ｎｍ）による反ストークス光（たとえば１４５０ｎｍ）の波長帯に対しラマンシフト量に対応した短い波長帯の励起光（たとえば１３６０ｎｍ）を被測定光ファイバ１８に入射し、被測定光ファイバ１８の長手方向の各位置での測定用光源１からのパルス光（たとえば１５５０ｎｍ）による反ストークス光（たとえば１４５０ｎｍ）を増幅させる。
【００４０】
次に、温度分布測定の原理について説明する。
まず、被測定光ファイバ１８にある波長の光を入射させると、被測定光ファイバ１８中のガラス分子の格子振動により、後方散乱光が発生する。
【００４１】
ここで、後方散乱光は、被測定光ファイバ１８への入射光と同波長帯のレーリー散乱光とラマン散乱光とに分けられる。さらに、ラマン散乱光は、入射光よりも±４４０ｃｍ−１だけ波長をシフトしたところに発生するものであり、たとえば１５５０ｎｍのパルス光に対して１６５０ｎｍのストークス光と１４５０ｎｍの反ストークス光とが発生する。
【００４２】
これらのストークス光及び反ストークス光は、被測定光ファイバ１８への入射光と同波長帯のレーリー散乱光よりも強度が２０ｄＢ以上小さな光となる。このように、ストークス光及び反ストークス光は、光の強度が極めて小さいものであるが、中でも反ストークス光は被測定光ファイバ１８の温度に敏感に反応する特性がある。
【００４３】
そこで、被測定光ファイバ１８による長距離測定においては、非常に微弱な反ストークス光のレベルを上げるために、測定用光源１からのパルス光の光パワーを増大させることが考えられるが、次のような理由により、限界がある。
【００４４】
すなわち、被測定光ファイバ１８へのパルス光の入力レベルを増加していくと、自然放出されたラマン散乱光も入射されたパルス光とともに増加する。入射されたパルス光が強くない場合、被測定光ファイバ１８の各格子振動の位相は無関係なため、誘導ラマン散乱は生じにくい。
【００４５】
さらに、入力レベルを増加していくと、被測定光ファイバ１８の各格子振動の振動状態が入射されたパルス光及び発生したラマン散乱光との非線形結合により強く励振され、これと光の場との非線形結合により誘導ラマン散乱が発生する。
【００４６】
被測定光ファイバ１８の入射端での入射の光パワーと散乱された光パワーとが等しくなる入射光パワーが存在し、これが臨界ポンプパワー又はラマン閾値と呼ばれ、閾値パワーを越えると誘導ラマン散乱が発生する。
【００４７】
言い換えれば、誘導ラマン散乱は、ポンプ波が被測定光ファイバ１８を伝播するとき、そのエネルギーをストークス光へ移す非線形現象であると言える。また、ある閾値を超えるとポンプエネルギーのストークスエネルギーへのエネルギー転換が閾値を超えたとき顕著となる。
【００４８】
これが誘導ラマン散乱であり、パルス光源の光パワーを増大させ続けて、ある閾値を超えると、誘導ラマン散乱現象による誘導放出が起こり、長波長側に一定量シフトしたストークス光へのエネルギー転換が生じてストークス光の出力が増大してしまう。従ってパルス光の光源パワーを増加させ続けてもストークス光へのエネルギー転換が顕著となるためパルス光出力は増大しない。
【００４９】
さらに、エネルギー転換によりストークス光の出力が増大してしまうと、ストークス光と反ストークス光との強度比により温度に換算する際に、これを基準とした測定を行うと、ラマン散乱光の変動に伴って測定値が変動してしまう。そのため、測定用光源１からのパルス光の光パワーを単純に増大させることでは、温度測定の精度劣化を招いてしまい、自ずと被測定光ファイバ１８による長距離測定において限界が生じてしまうことになる。
【００５０】
そこで、本実施形態では、測定用パルス光源の出力を上げるのではなく、後方散乱光である反ストークス光を増幅させる手段を用いる。反ストークス光の励起用光源１７は、測定用光源１からのパルス光（たとえば１５５０ｎｍ）による反ストークス光（たとえば１４５０ｎｍ）の波長帯に対しラマンシフト量に対応した短い波長帯の励起光（たとえば１３６０ｎｍ）を被測定光ファイバ１８に入射する。
【００５１】
励起光源１７から出力された励起光（たとえば１３６０ｎｍ）は誘導ラマン散乱によるエネルギー転換により、測定用光源１からのパルス光（たとえば１５５０ｎｍ）による反ストークス光（たとえば１４５０ｎｍ）を被測定光ファイバ１８の全長にわたって増幅させる。これにより反ストークス光は強度が増幅され、被測定光ファイバ１８による長距離測定の限界が大幅に改善されることになる。
【００５２】
さらに、本実施形態では、測定用パルス光の誘導ラマン散乱による測定値の変動を回避するために、ストークス光とは異なる波長帯の補正用パルス光を用いている。ここで、補正用パルス光は反ストークス光と同一波長帯（たとえば１４６０ｎｍ）を用いている。ストークス光を温度補正に用いる場合、反ストークス光とは２００ｎｍ程度の波長のずれがあり、それぞれの波長帯では光強度の温度特性がわずかであるが異なるため、温度補正においても若干波長特性の影響を受けることは免れない。補正用パルス光を反ストークス光と同一波長帯とすることで、温度補正の精度を向上させることができる。
【００５３】
以上のようなことから、測定用パルス光源の出力の増大による誘導ラマン散乱による測定値の変動を回避することができ、反ストークス光と同一波長帯の補正用光源１２からのパルス光（補正用パルス光）とによるレーリー散乱光を用いることにより温度分布の測定精度が高められる。さらに、励起用光源１７による励起光（ポンプ波）を用いて反ストークス光の強度を増幅させることで、被測定光ファイバ１８による長距離測定の限界が大幅に改善されることになる。
【００５４】
次に、ストークス光を用いずに反ストークス光のみを用いた場合に測定精度が高められる理由について別角度から説明する。まず、量子論より、量子化されたフェノンの占有率をＮＰとすると、ストークス散乱の確率は、（ＮＰ＋１）に比例し、反ストークス散乱の確率は、ＮＰに比例することが明かになっている。
【００５５】
フェノンの占有率は、ボーズ−アインシュタイン統計に従うとされており、下記の式で表される。
【００５６】
ＮＰ＝１／［ｅｘｐ（ｈｃｖR／ｋＴ）−１］・・・（１）
Ｐｓ＝Ｃ・（ＮＰ＋１）・・・（２）
Ｐａ＝Ｃ・ＮＰ・・・（３）
【００５７】
ここで、Ｐｓ：ストークス光パワー、Ｐａ：反ストークス光パワー、ｈ：プランク定数、ｃ：光速、ｖＲ：格子振動、ｋ：ボルツマン定数、Ｃ：比例定数である。
【００５８】
通常の温度計測においては、ストークス光と反ストークス光との比をとり、
Ｔ＝ｈｃｖR／｛ｋ・ｌｎ［（Ｐｓ／Ｐａ）］｝・・・（４）
この（４）式は、理想的にラマン散乱光が検出された場合であり、実際にはそれぞれの散乱光にノイズ成分が加算され、測定可能な温度Ｔｎは、次のようになる。
Ｔｎ＝ｈｃｖR／｛ｋ・ｌｎ［（Ｐｓ＋Ｎｓ）／（Ｐａ＋Ｎａ）］｝・・・（５）
ここで、Ｎｓは、ストークス光測定時のノイズ成分、Ｎａは反ストークス光測定時のノイズ成分である。
【００５９】
温度精度は、｜Ｔｎ−Ｔ｜により表すことができるので、上記の（２）式、（３）式より、
｜Ｔｎ−Ｔ｜＝（ｋＴｎＴ／ｈｃｖR）・｛ｌｎ［１＋（Ｎａ／Ｐａ）］−ｌｎ［１＋（Ｎａ／Ｐａ）］｝・・・（６）
【００６０】
この（６）式は、ストークス光と反ストークス光とを用いた場合の測定精度に関する一表現である。
【００６１】
次に、反ストークス光のみを用いる場合の測定精度を考える。
上記の（１）式、（３）式より、
Ｐａ／Ｃ＝１／［ｅｘｐ（ｈｃｖR／ｋＴ）−１］・・・（７）
【００６２】
（７）式より、温度Ｔ０のときの反ストークス光のパワーをＰ０とすれば、
Ｐａ０／ｃ＝１／［ｅｘｐ（ｈｃｖR／ｋＴ０）−１］・・・（８）
（７）式、（８）式より、Ｔは、
Ｔ＝（ｈｃｖR／ｋ）・１／ｌｎ｛［ｅｘｐ（ｈｃｖR／ｋＴ０）−１］・（Ｐａ０／Ｐａ）＋１｝・・・（９）
【００６３】
同様に、Ｔｎを求め、Ｔｎ−Ｔを計算すると、
｜Ｔｎ−Ｔ｜＝（ｋＴｎＴ／ｈｃｖR）・ｌｎ｛［ｅｘｐ（ｈｃｖR／ｋＴ０）−１］・（Ｐａ０／Ｐａ）・［１＋（Ｎａ０／Ｐａ０）］／［１＋（Ｎａ／Ｐａ）］＋１｝−ｌｎ｛［ｅｘｐ（ｈｃｖR／ｋＴ０）−１］・（Ｐａ０／Ｐａ）＋１｝・・・（１０）
【００６４】
ここで、Ｐａ０は基準温度Ｔ０のときの反ストークス光パワーであり、Ｎａ０は基準温度Ｔ０のときの雑音パワーである。（６）式、（１０）式において、ダイナミックレンジＰａ／Ｎａをパラメータとして、温度１００℃のときの両者を比較した結果は、図２に示す通りである。
【００６５】
図２では、縦軸に測定精度［℃］を示し、横軸にダイナミックレンジ［ｄＢ］を示している。また、実線は反ストークス光のみを示し、点線はストークス光と反ストークス光との強度比を示している。
【００６６】
図２から分かる通り、ダイナミックレンジの減少に伴い、実線で示す反ストークス光のみの測定と比較して、点線で示すストークス光と反ストークス光との強度比による測定精度は、急激に悪化している。これは感度の低い領域では反ストークス光のみによる方が測定精度が高いことを示している。よって、反ストークス光のみを用いた温度分布の測定を行うことで、測定精度上、有利であることが分かる。
【００６７】
次に、図１の温度分布測定装置による温度分布測定方法について説明する。
まず、図３に示すように、タイミング制御部１４により、測定用光源１と補正用光源１２とのパルス幅と発生周期とが制御される（ステップＳ１）。ここで、本実施形態では、測定用光源１からのパルス光の波長を、たとえば１５５０ｎｍとし、補正用光源１２からのパルス光の波長を、たとえば１４５０ｎｍとする。
【００６８】
そして、測定用光源１からのパルス光が増幅器２によって増幅され、ＷＤＭカップラ３により補正用光源１２からのパルス光と波長分割多重され、１０：１光カップラ７、光入出力ポート１０、励起用光源１７を経て被測定光ファイバ１８に入射される（ステップＳ２）。
【００６９】
ここで、反射モニタ８により、光入出力ポート１０に接続される図示しない光コネクタの接続状況が監視されるとともに、出力モニタ９により、測定用光源１及び補正用光源１２からのパルス光がそれぞれ規定通り出力されているか否かを監視される。また、反射モニタ８及び出力モニタ９による監視状況等が表示部１６によって表示される。
【００７０】
また、励起用光源１７からは、測定用光源１からのパルス光（たとえば１５５０ｎｍ）による反ストークス光（たとえば１４５０ｎｍ）の波長帯に対しラマンシフト量に対応した短い波長帯の励起光（たとえば１３６０ｎｍ）が被測定光ファイバ１８に入射される。
【００７１】
これにより、上述した理由から、被測定光ファイバ１８の長手方向の各位置での測定用光源１からのパルス光（たとえば１５５０ｎｍ）による反ストークス光（たとえば１４５０ｎｍ）が増幅される。
【００７２】
一方、被測定光ファイバ１８の長手方向の各位置において発生した後方散乱光が被測定光ファイバ１８の入射端に帰還すると、光入出力ポート１０から１０：１光カップラ７、ＷＤＭカップラ３、カップラ１１を経てＡＰＤ１３により検出される。
【００７３】
ここで、ＡＰＤ１３により、測定用光源１からのパルス光（たとえば１５５０ｎｍ）による反ストークス光と、補正用光源１２からのパルス光（たとえば１４５０ｎｍ）による後方散乱光のうちのレーリー散乱光と検出される（ステップＳ３）。
【００７４】
そして、ＣＰＵ１５Ａにより、ＡＰＤ１３からの測定用光源１からのパルス光による反ストークス光と、補正用光源１２からのパルス光による後方散乱光のうちのレーリー散乱光とが図示しないＡ／Ｄ変換器によりデジタルデータに変換され（ステップＳ４）、平均化処理部１５により、ノイズ低減のためにその反ストークス光とレーリー散乱光とのデータが加算され、平均を算出したデータが得られ、その後、反ストークス光とレーリー散乱光との比からレーリー散乱光のデータに基づいて補正された温度データが得られる（ステップＳ５）。
【００７５】
なお、被測定光ファイバ１８の長手方向の各位置は、ＣＰＵ１５Ａによる上述した反ストークス光及びレーリー散乱光の帰還時間が演算されることで、求められる（ステップＳ６）。このようにして被測定光ファイバ１８の長手方向の各位置における温度分布が得られる。
【００７６】
また、平均化処理部１５及びＣＰＵ１５Ａによる処理結果である温度分布は、表示部１６によって表示される（ステップＳ７）。
【００７７】
このように、本実施形態では、被測定光ファイバ１８の一端から測定用光源１からのパルス光（測定用パルス光）を入射し、被測定光ファイバ１８の長手方向における各位置から一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して被測定光ファイバ１８の長手方向の温度分布を測定するに際し、補正用光源１２により被測定光ファイバ１８の一端からパルス光（補正用パルス光）を入射し、ＡＰＤ１３によりパルス光（測定用パルス光）によるラマン散乱光に含まれる反ストークス光とパルス光（補正用パルス光）によるレーリー散乱光とを検出し、ＣＰＵ１５Ａ及び平均化処理部１５により反ストークス光に基づいて測定される温度分布をパルス光（補正用パルス光）によるレーリー散乱光に基づいて補正するようにしたので、被測定光ファイバ１８による測定可能長を大幅に拡大しても温度分布を精度良く測定することができる。
【００７８】
すなわち、温度分布を精度良く測定するためには、上述したように、温度に敏感に反応する反ストークス光が有効である。ただし、その反ストークス光は非常に微弱であるため、被測定光ファイバ１８の一端に帰還するとき、反ストークス光の強度が下がってしまい、測定精度が劣化してしまうことになる。このことは被測定光ファイバ１８が長くなると顕著となる。そこで、被測定光ファイバ１８の一端から測定用光源１とは別に設けられている補正用光源１２のパルス光（補正用パルス光）を入射し、反ストークス光より強度が高いパルス光（補正用パルス光）によるレーリー散乱光を検出することにより、被測定光ファイバ１８の長手方向の反ストークス光の光損失分布の補正を行うようにしている。
【００７９】
また、測定可能距離の拡大化を図るために、被測定光ファイバ１８の伝播損失を励起用光源１７からの励起光によって補うようにしている。すなわち、励起用光源１７は、上述した１／λｐ＝１／λｓ＋０．０４４μｍ−１の関係式より得られる波長の高出力のパルス光源であり、１４５０ｎｍの反ストークス光のラマン増幅として用いられる。
【００８０】
なお、励起用光源１７における発振波長は、反ストークス光の波長帯のラマンシフト量に対応した短い波長帯である１３６０ｎｍにセットされている。このように、１４５０ｎｍの反ストークス光の波長より９０ｎｍだけ短い１３６０ｎｍのパルス光をポンプ光とし、被測定光ファイバ１８に伝播させることで、上述したように、被測定光ファイバ１８中でのエネルギー変換により、１４５０ｎｍの反ストークス光のみが増幅されることになる。
【００８１】
このようにすることで、１０〜１５ｄＢのラマン利得が得られ、受光レベルの改善が図れ、補正用光源１２のパルス光（補正用パルス光）によるレーリー散乱光の検出と併せることで、結果として長距離の被測定光ファイバ１８による温度分布の測定と測定精度の向上が図れることになる。
【００８２】
なお、被測定光ファイバ１８としては、ＳＭファイバとＧＩファイバとのいずれかを用いることができる。ここで、ＳＭファイバのコア径は約１０μｍであり、ＧＩファイバのコア径は５０〜６５μｍである。帯域にあっては、ＧＩファイバがＳＭファイバの１／１０以下であり、ＧＩファイバは高速通信用途に不向きであることから、通信網の用途としてはＳＭファイバが占めている。
【００８３】
測定用途としては、ＧＩファイバのコア面積がＳＭファイバのコア面積に対して２５倍程度あり、ＧＩファイバでは数十Ｗで誘導ラマン散乱が発生し、ＳＭファイバでは１Ｗ以上で誘導ラマン散乱が発生するため、長距離化においてはＧＩファイバが有利である。
【００８４】
ただし、通信網の用途としてＳＭファイバが占めている現状を考慮すると、積極的にＳＭファイバを利用することがコスト削減につながることなり、本実施形態での技術を採用することで、ＳＭファイバの利用化を実現することができる。
【００８５】
また、本実施形態では、被測定光ファイバ１８の一端から測定用光源１からのパルス光（測定用パルス光）と、補正用光源１２からのパルス光（補正用パルス光）とを入射し、パルス光（測定用パルス光）によるラマン散乱光に含まれる反ストークス光とパルス光（補正用パルス光）によるレーリー散乱光とを検出し、反ストークス光に基づいて測定される温度分布をパルス光（補正用パルス光）によるレーリー散乱光に基づいて補正するようにした場合について説明したが、この例に限らず、測定用光源１からのパルス光のみを用いて被測定光ファイバ１８の長手方向の各位置における温度分布を測定することも可能である。
【００８６】
この場合、被測定光ファイバ１８の一端からパルス光（測定用パルス光）を入射し、その一端に帰還する後方散乱光のうち、パルス光（測定用パルス光）によるラマン散乱光に含まれる反ストークス光とパルス光（測定用パルス光）によるレーリー散乱光とを検出し、この検出したレーリー散乱光を補正用パルス光とし、反ストークス光に基づいて測定される温度分布を補正用パルス光によるレーリー散乱光に基づいて補正するようにすればよい。また、この場合、補正用光源１２が不要とされるので、構成の簡素化や省電力化等を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明によれば、温度分布測定に限らず、光通信技術にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の温度分布測定装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の温度分布測定装置における温度分布測定方法を説明するものであり、反ストークス光のみを用いた場合に測定精度が高められる理由について説明する図である。
【図３】図１の温度分布測定装置における温度分布測定方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００８９】
１  測定用光源
２  増幅器
３  ＷＤＭカップラ
７  １０：１光カップラ
８  反射モニタ
９  出力モニタ
１０  光入出力ポート
１１  カップラ
１２  補正用光源
１３  ＡＰＤ（（アバランシュフォトダイオード：光検出手段）
１４  タイミング制御部
１５  平均化処理部（温度分布補正手段、温度データ取得手段）
１５Ａ  ＣＰＵ（温度分布補正手段、温度データ取得手段）
１６  表示部
１７  励起用光源
１８  被測定光ファイバ
【図１】
2006308541.tif 000003
【図２】
2006308541.tif 000004
【図３】
2006308541.tif 000005