(57)【要約】【課題】  光ファイバ全長における温度差（とりわけ測定装置設置環境と測定対象箇所の温度差）が大きいときでも精度良く温度分布が測定できる光ファイバ温度分布センサを提供する。【解決手段】  光ファイバ１中に発生するストークス光とアンチストークス光の強度比Ｉａ／Ｉｓに基づいてその光ファイバ１に沿った温度分布を測定する光ファイバ温度分布センサにおいて、当該センサとは別の温度計１１，１２で２つの基準温度を測定し、これら２つの基準温度について強度比Ｉａ／Ｉｓから求めた温度がそれぞれ一致するよう強度比Ｉａ／Ｉｓによる温度の読み値を補正するようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ中に発生するストークス光とアンチストークス光の強度比Ｉａ／Ｉｓに基づいてその光ファイバに沿った温度分布を測定する光ファイバ温度分布センサにおいて、当該センサとは別の温度計で２つの基準温度を測定し、これら２つの基準温度について強度比Ｉａ／Ｉｓから求めた温度がそれぞれ一致するよう強度比Ｉａ／Ｉｓによる温度の読み値を補正するようにしたことを特徴とする光ファイバ温度分布センサ。
【請求項２】
２つの基準温度はそれぞれ別の温度計で測定することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度分布センサ。
【請求項３】
上記両光の強度を測定する測定装置に接続される上記光ファイバの端部近傍あるいは上記光ファイバと直列に接続される測定装置内の光ファイバに第一の基準温度を測定する第一の温度計を設置し、上記光ファイバの延長上に第二の基準温度を測定する第二の温度計を設置することを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバ温度分布センサ。
【請求項４】
少なくとも１つの基準温度は測定しようとする温度範囲の内にあることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光ファイバ温度分布センサ。
【請求項５】
少なくとも１つの温度計は測定対象箇所に設置することを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の光ファイバ温度分布センサ。
【請求項６】
強度比Ｉａ／Ｉｓと温度との関係式について第一の温度計の設置箇所における計算値が第一の温度計で測定される第一の基準温度Ｔｒ１に一致するよう係数を定め、この関係式で計算される第二の温度計の設置箇所における温度Ｔｒ２と第一の基準温度Ｔｒ１との差（Ｔｒ２−Ｔｒ１）に対する第二の温度計で測定される第二の基準温度Ｔ０ｒ２と第一の基準温度Ｔｒ１との差（Ｔ０ｒ２−Ｔｒ１）の比を上記関係式で計算される任意の箇所における温度Ｔ１と第一の基準温度Ｔｒ１との差にかけて、これに第一の基準温度Ｔｒ１を加えることにより、補正された温度Ｔ１’を得ることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の光ファイバ温度分布センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラマン後方散乱光を利用した光ファイバ温度分布センサに係り、光ファイバ全長における温度差（とりわけ測定装置設置環境と測定対象箇所の温度差）が大きいときでも精度良く温度分布が測定できる光ファイバ温度分布センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを用い、その光ファイバに沿った温度分布を測定する光ファイバ温度分布センサとして特許文献１に記載されたものがある。
【０００３】
図３に示されるように、光ファイバ温度分布センサは、センサ用光ファイバ（以下、中継用光ファイバも含め単に光ファイバという）１の一端を測定装置２に接続してなる。光ファイバ１の図示しない他端は測定対象の場所へ巡らされている。測定装置２は、所定の方式で変調をかけた光を出射する光源４と、その光を光ファイバ１に導くと共に光ファイバ１から戻ってきた後方散乱光を分離する光分波器５と、その分離された後方散乱光のうちストークス光を受光するＯ／Ｅ変換器６ｓと、アンチストークス光を受光するＯ／Ｅ変換器６ａと、それぞれの受光信号を光源４における変調に同期させて平均する平均化回路７ｓ，７ａと、その同期をとるための同期回路８と、それぞれの平均出力をもとに温度分布を演算する温度分布演算部１３とを備える。
【０００４】
光源４から出射された波長λ０の光は、中継用光ファイバ８１、光分波器５を経由して光ファイバ１に入射する。光ファイバ１内の各所で波長λ０の入射光によりラマン散乱光（波長λｓのストークス光及び波長λａのアンチストークス光）が発生する。発生したラマン散乱光のうち入射側に戻ってくる後方散乱光が光分波器５で波長λｓのストークス光と波長λａのアンチストークス光とに分波され、それぞれの光が中継用光ファイバ８２，８３によりＯ／Ｅ変換器６ｓ，６ａに導かれる。各Ｏ／Ｅ変換器６ｓ，６ａで変換及び増幅された電気信号は図４、図５のような時間波形を示す。
【０００５】
図４、図５は、横軸を光源における発光タイミングを基準にした時間軸とし、縦軸をＯ／Ｅ変換器６ｓ，６ａの出力強度、すなわちストークス光及びアンチストークス光の信号強度としたものである。実際は、ストークス光及びアンチストークス光の信号強度は非常に微弱であるため、１回の測定では図４、図５に示すようなＳ／Ｎの良い波形は得られず、後段の平均化回路７ｓ，７ａで複数回の測定について同期を取って平均化処理を行うことで図４、図５の波形を得る。
【０００６】
図４、図５の波形は、Ｏ／Ｅ変換器６ｓ，６ａで受光されるストークス光及びアンチストークス光の信号強度を光源４における発光タイミングを基準にした時間の関数として表したものであるが、光ファイバ１中の光速が既知であるので、光源４を基準にした光ファイバ１に沿った距離の関数に置き換えることができる。従って、図４、図５は、横軸を距離とし、光ファイバの各距離地点で発生したストークス光及びアンチストークス光の強度、つまり距離分布とすることができる。
【０００７】
一方、ストークス光強度Ｉａとアンチストークス光強度Ｉｓはいずれも光ファイバ１の温度に依存し、さらに、両光の強度比Ｉａ／Ｉｓも式（１）に示すように光ファイバ１の温度に依存する。
【０００８】
【数１】
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【０００９】
式（１）中の係数Ｋ０，ｎ０，ｎｋは、光ファイバの組成、光源の中心波長、波長分布、Ｏ／Ｅ変換器の変換効率など、光ファイバや測定装置構成部品の性状によって決まるものであるため、強度比Ｉａ／Ｉｓが分かればラマン散乱光が発生した箇所の温度を知ることができる。
【００１０】
式（１）は距離ｘを除外してあるが、強度比Ｉａ／Ｉｓは距離の関数Ｉａ（ｘ）／Ｉｓ（ｘ）であるから、この強度比Ｉａ（ｘ）／Ｉｓ（ｘ）から光ファイバ１に沿った温度分布Ｔ（ｘ）を求めることができる。
【００１１】
図６に、図４、図５の波形に対応した温度分布Ｔ（ｘ）を示す。図示のように、ストークス光及びアンチストークス光の強度分布に見られた高いピーク及び低いピークに対応して温度分布にも高いピーク及び低いピークが表れている。なお、実際にはストークス光とアンチストークス光が光ファイバを伝搬する際の損失が若干異なるため、この損失に対する補正を行ってある。
【００１２】
【特許文献１】特許第２１３６０７１号公報（特公平８−２３５１２号公報）
【特許文献２】特許第２９７７３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前述した光ファイバ温度分布センサには、光ファイバや測定装置が置かれている環境や構成部品の経時変化によって変化する特性もあるため、この変化による温度測定誤差を補正することが必要になる。
【００１４】
図３の例では、測定装置２内に基準温度部１０を設け、温度分布測定のたびにこの基準温度部１０の温度を光ファイバとは違う方式の別に設けた温度計１１で測定し、強度比Ｉａ／Ｉｓから求めた基準温度部１０の温度が別に設けた温度計１１で測定した温度（基準温度という）に一致するよう式（１）中の係数を決め、光ファイバ１中の他の箇所における温度計算にもその係数を適用して温度分布を求めている。
【００１５】
具体的には、図７に示されるように、強度比Ｉａ／Ｉｓは温度の関数となるが、その関数を表す曲線の傾きは、式（１）中の係数Ｋ０，ｎ０，ｎｋによって変わるものである。これらの係数は、光ファイバの組成、光源の中心波長、波長分布、Ｏ／Ｅ変換器の変換効率など、光ファイバや測定装置構成部品の性状によって決まるものであるため、光ファイバ１と測定装置２の特性が決まれば一義的に決まるものである。これらの係数の中には周囲温度によって変化するものもあるため、前述のように測定装置２内に基準温度部１０を設けて補正を行えるようにしている。
【００１６】
しかしながら、前述の方法で式（１）中の係数を決めた場合でも、その係数は真値に対してある程度誤差をもってしまう。このような係数の設定誤差により、式（１）で求める温度の精度が低下することが分かった。図７には、係数が真値であった場合に式（１）に温度を代入して得られる強度比Ｉａ／Ｉｓの特性を実線で示し、係数に設定誤差がある場合に式（１）に温度を代入して得られる強度比Ｉａ／Ｉｓの特性２つを破線で示してある。図から分かるように、係数に設定誤差がある場合、基準温度の近傍においてはいずれの特性でも強度比Ｉａ／Ｉｓは真値によるそれに近い。しかし、基準温度から離れた温度においては強度比Ｉａ／Ｉｓは真値によるそれに対して大きく離れている。
【００１７】
このことは、逆に光の測定によって得られる強度比Ｉａ／Ｉｓを式（１）に代入して温度を求めた場合でも、実温度に対して係数の設定誤差に基づく誤差があるということである。つまり、基準温度の近傍の温度は正確に近くても基準温度から離れた高温あるいは低温の測定には大きな誤差が伴うということである。
【００１８】
この種の光ファイバ温度分布センサの応用用途として、高温になる製造設備の温度分布を測定すること、路面の凍結を調べるために道路の温度分布を測定することなどがある。しかし、一般に測定装置２の設置環境（光ファイバ１の一端もここへ含まれる）は常温程度であるのに対し、上記のような応用においては測定対象箇所の温度は高温であったり、低温であったりする。つまり、従来のように測定装置の設置環境で基準温度を与えている方式では肝心の測定対象箇所の温度が不正確になるという欠点がある。
【００１９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光ファイバ全長における温度差（とりわけ測定装置設置環境と測定対象箇所の温度差）が大きいときでも精度良く温度分布が測定できる光ファイバ温度分布センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために本発明は、光ファイバ中に発生するストークス光とアンチストークス光の強度比Ｉａ／Ｉｓに基づいてその光ファイバに沿った温度分布を測定する光ファイバ温度分布センサにおいて、当該センサとは別の温度計で２つの基準温度を測定し、これら２つの基準温度について強度比Ｉａ／Ｉｓから求めた温度がそれぞれ一致するよう強度比Ｉａ／Ｉｓによる温度の読み値を補正するようにしたものである。
【００２１】
２つの基準温度はそれぞれ別の温度計で測定してもよい。
【００２２】
上記両光の強度を測定する測定装置に接続される上記光ファイバの端部近傍あるいは上記光ファイバと直列に接続される測定装置内の光ファイバに第一の基準温度を測定する第一の温度計を設置し、上記光ファイバの延長上に第二の基準温度を測定する第二の温度計を設置してもよい。
【００２３】
少なくとも１つの基準温度は測定しようとする温度範囲の内にあってもよい。
【００２４】
少なくとも１つの温度計は測定対象箇所に設置してもよい。
【００２５】
強度比Ｉａ／Ｉｓと温度との関係式について第一の温度計の設置箇所における計算値が第一の温度計で測定される第一の基準温度Ｔｒ１に一致するよう係数を定め、この関係式で計算される第二の温度計の設置箇所における温度Ｔｒ２と第一の基準温度Ｔｒ１との差（Ｔｒ２−Ｔｒ１）に対する第二の温度計で測定される第二の基準温度Ｔ０ｒ２と第一の基準温度Ｔｒ１との差（Ｔ０ｒ２−Ｔｒ１）の比を上記関係式で計算される任意の箇所における温度Ｔ１と第一の基準温度Ｔｒ１との差にかけて、これに第一の基準温度Ｔｒ１を加えることにより、補正された温度Ｔ１’を得てもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００２７】
（１）光ファイバ全長における温度差が大きいときでも精度良く温度分布が測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２９】
まず、光ファイバ温度分布センサの装置構成を詳しく説明する。
【００３０】
図２に示されるように、本発明に係る光ファイバ温度分布センサは、光ファイバ１の一端を測定装置２に接続すると共に光ファイバ１の途中に温度参照部３を設けてなる。測定装置２は、所定の方式で変調をかけた光を出射する光源４と、その光を光ファイバ１に導くと共に光ファイバ１から戻ってきた後方散乱光を分離する光分波器５と、その分離された後方散乱光のうちストークス光を受光するＯ／Ｅ変換器６ｓと、アンチストークス光を受光するＯ／Ｅ変換器６ａと、それぞれの受光信号を光源４における変調に同期させて平均する平均化回路７ｓ，７ａと、その同期をとるための同期回路８と、それぞれの平均出力をもとに温度分布を演算する温度分布演算部９と、測定装置２の近傍における光ファイバ１の温度を測定する基準温度部１０とを備える。
【００３１】
図３と比較して分かるように、本発明の特徴は温度参照部３を設けたことである。温度参照部３は基準温度部１０とほぼ同じ構造のものであり、光ファイバ１とは違う方式の別に設けた温度計で当該環境の温度（光ファイバの温度）を測定するものである。基準温度部１０の温度計は第一の基準温度を測定する第一の温度計１１、温度参照部３の温度計は第二の基準温度を測定する第二の温度計１２である。
【００３２】
ここで温度参照部３の詳細を説明すると、温度計１２となる温度センサには白金抵抗体、サーミスタ、熱電対などの公知の温度センサを所望とする測定精度や使用環境に合わせて使用することができる。温度参照部３は温度センサを図示しない容器、箱などの閉じた空間に収容したものであり、この温度参照部３に光ファイバ１を通してある。温度参照部３の内部に入れる光ファイバ１の長さはラマン後方散乱光による温度測定の距離応答性（距離分解能）を考慮して、距離応答性以上の長さ、好ましくは距離応答性の５倍程度とする。このとき、温度参照部３内に温度分布（ここでは温度差の意）が生じにくいように、温度参照部３の寸法を小さくする必要がある。これには光ファイバ１をループ状に巻いて収納するとよい。
【００３３】
また、光ファイバ１の温度と温度センサの温度が同じになるよう温度センサは光ファイバ１の直近に置くが、両者の間には熱抵抗が存在するので、温度参照部３の周囲温度の変化が影響して温度参照部３の内部に温度変化が生じると、上記熱抵抗により光ファイバ１と温度センサ間に温度差が表れてしまう。そこで、温度参照部３は外部に対して内部が断熱される構造とするのが好ましい。
【００３４】
図２中の他の部材は図３に示したものと同じであるので説明は省く。ただし温度分布演算部９は、図３の温度分布演算部１３とは異なり、式（１）で得られた読み値Ｔ１に対して式（２）を適用して補正された温度Ｔ１’を得るようになっている。
【００３５】
次に、温度分布演算の手順について図１を用いて説明する。
【００３６】
図１は、横軸に実温度、縦軸に強度比Ｉａ／Ｉｓから求めた温度（測定結果）を取って実温度に対する測定結果の特性を示したものである。破線が補正前の読み値、つまり本発明を適用する前の特性であり、実線が真値（実温度に一致する測定値）、つまり本発明を適用して得られる特性である。図中、第一の基準温度Ｔｒ１は、これまで背景技術として説明してきた測定装置内の基準温度部において当該センサとは別の温度計で測定した基準温度と同じである。第一の基準温度Ｔｒ１に対する読み値がＴｒ１になるように係数が設定されるので、縦軸を見ると同じＴｒ１が示されている。
【００３７】
この図の破線の特性を使用して従来技術（本発明において読み値を補正する以前の状態）を説明すると、強度比Ｉａ／Ｉｓから求めた温度は第一の基準温度Ｔｒ１の近くでは真値に近い。しかし、第一の基準温度Ｔｒ１から高温側あるいは低温側に離れていくと、真値との誤差が大きくなる。
【００３８】
そこで、本発明では第一の基準温度Ｔｒ１に加えて第二の基準温度Ｔｒ２を用いる。これら２つの基準温度について強度比Ｉａ／Ｉｓから求めた温度がそれぞれ一致するよう強度比Ｉａ／Ｉｓによる温度の読み値を補正するのである。
【００３９】
このように本発明は、２つの基準温度を光ファイバ以外の手段で測定することに特徴がある。この原理によると、２つの基準温度が分かればよく、これらの基準温度を測定する場所には関係しない。しかし、実際にはどこかの場所に温度計を設置して基準温度を測定することになる。２つの基準温度は同じ箇所で別の時間に測定することはできるが、同じ箇所で同時に測定することは不可能である。一方、別々の箇所にそれぞれ温度計を設置しておけば２つの基準温度を同時に測定することができる。よって、図２のように、別々の箇所に設置した温度計でそれぞれ基準温度を測定するとよい。
【００４０】
具体的な補正は次のように行う。まず、従来同様に、強度比Ｉａ／Ｉｓと温度との関係式（１）について第一の温度計の設置箇所における強度比Ｉａ／Ｉｓが第一の温度計で測定される第一の基準温度Ｔｒ１に一致するよう係数を定める。次に、この関係式（１）で計算される第二の温度計の設置箇所における温度Ｔｒ２と第一の基準温度Ｔｒ１との差（Ｔｒ２−Ｔｒ１）を求める。同時に、第二の温度計で測定される第二の基準温度Ｔ０ｒ２と第一の基準温度Ｔｒ１との差（Ｔ０ｒ２−Ｔｒ１）を求める。これら２つの差の比（前者を分母とする）を関係式（１）で計算される任意の箇所ｘにおける温度Ｔ１と第一の基準温度Ｔｒ１との差にかけて、これに第一の基準温度Ｔｒ１を加えることにより、補正された温度Ｔ１’を得る。この手順を数式で表すと、次式（２）のようになる。
【００４１】
【数２】
2006071532.tif 000004
【００４２】
このようにして、実温度がＴＡであるような箇所ｘの測定値は最初の読み値Ｔ１から補正値Ｔ１’に補正され、この測定値Ｔ１’は実温度ＴＡに等しいか限りなく近い。図１を見れば明らかなように、従来技術にあった誤差が解消されている。
【００４３】
なお、温度参照部３における温度Ｔｒ２は、温度参照部３内にある光ファイバ１の温度を強度比Ｉａ／Ｉｓから計算した読み値である。この際、距離分解能による測定範囲が温度参照部３外を含むと周囲温度の影響が出てしまうので、温度参照部３内の光ファイバ長の中央付近の温度を読む。また、そのとき中央付近の１箇所のみの温度を読んで使用することも可能であるが、中央付近の複数箇所の読み値を平均したほうが測定誤差を回避して測定精度を高めることができる。
【００４４】
距離ｘを含めた計算式（３）は次のようになる。
【００４５】
【数３】
2006071532.tif 000005
【００４６】
温度分布を求めるには、まず、複数の距離ｘの箇所について、強度比Ｉａ／Ｉｓから計算した読み値を得る。これは、補正前の温度分布となる。この温度分布に対して式（３）を適用すれば、補正された温度分布が得られる。
【００４７】
第一及び第二の基準温度は、互いに異なる温度であればそれぞれ任意に測定することができるが、これまで説明したように第一の基準温度は測定装置２の設置環境の温度（多くの場合、常温）とし、第二の基準温度は測定対象箇所の温度（高温あるいは低温）とするのが好適である。その際、第二の基準温度は、被測定温度範囲内にあるとよい。すなわち、図１で説明すると、実温度ＴＡ以下の温度範囲を測定しようとするとき、第二の基準温度Ｔ０ｒ２は実温度ＴＡよりも低い。
【００４８】
ここで、強度比Ｉａ／Ｉｓの温度依存性は絶対温度０°Ｋから数百°Ｋの範囲では図８のようになる。つまり本発明で主として光ファイバ温度分布センサを適用しようとしている低温領域や高温領域では直線性が悪くなっている。従って、式（２）での補正をより精度よく行うためには、第二の基準温度を被測定温度範囲内に設けると有利である。ただし、他の制約条件がある場合には、必ずしも第二の基準温度が被測定温度範囲内になくてもよい。
【００４９】
また、第二の基準温度を被測定温度範囲内に設けた場合、実際に測定対象箇所から測定される温度を第二の基準温度とできるので、被測定温度範囲外の第二の基準温度を別途に提供するための恒温槽等を準備しなくてもよい。
【００５０】
さらに、第二の基準温度を被測定温度範囲内に設けると、被測定温度範囲が時間によって変わる場合（例えば、初期は１００〜２００℃となり、その後は２００〜３００℃となる場合）、第二の基準温度が自動的に被測定温度範囲内に入るので好都合である。
【００５１】
温度分布を求める手順は、複数箇所の温度を全て計算して補正前温度分布を求めてから第二の基準温度を用いて補正前温度分布を補正しても良いし、１箇所の温度を計算して補正前温度を求めたらすぐ第二の基準温度を用いて温度を補正し、これを複数箇所について行うことで温度分布を得るようにしても良い。
【００５２】
本発明は、背景技術として引用した特許文献の技術と同様に、１周期の測定周期の間に光源から１つのパルス光を出力して測定する方式を採用できる。さらに、本発明は、上記方式とは異なる方式、例えば、光源を連続波形で連続的に発光させて測定する方式を採用してもよい。本発明は、光ファイバを用いた光ファイバ温度分布センサの全ての方式に適用することができる。
【００５３】
センサ用光ファイバには、マルチモード光ファイバ、シングルモード光ファイバのいずれであっても使用可能である。
【００５４】
本発明は、光ファイバ全長における温度差が大きく測定装置の設置環境に比べて測定対象箇所の温度が高温あるいは低温になる場合において特に効果がある。その一例として、路面の凍結を検知するための道路温度分布測定に関して説明する。道路温度分布測定では、光ファイバを道路の広い範囲にわたって路面に近い地中に埋設して、広範囲に路面の温度分布を測定する。その際、凍結が発生しやすい０℃付近の温度を高精度で測定することが重要となる。そこで、温度参照部３を測定対象である道路の中でも特定温度（０℃）が測定されることが期待される箇所に設置する。これにより温度参照部３で測定される第二の基準温度が０℃付近になる。なお、気温の高い季節には、温度参照部３で測定される第二の基準温度も０℃より高い温度になるが、この時期には路面凍結の発生する恐れがないので何ら不都合にはならない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の原理を表す実温度対温度測定値特性図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す光ファイバ温度分布センサの装置構成図である。
【図３】背景技術の光ファイバ温度分布センサの装置構成図である。
【図４】ストークス光強度の時間及び距離特性図である。
【図５】アンチストークス光強度の時間及び距離特性図である。
【図６】図４、図５のデータから得られる温度分布図である。
【図７】背景技術の光ファイバ温度分布センサにおける温度対強度比Ｉａ／Ｉｓの特性図である。
【図８】温度対強度比Ｉａ／Ｉｓの絶対温度に対する特性図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  光ファイバ
２  測定装置
３  温度参照部
１０  基準温度部
１１  別の温度計（第一の温度計）
１２  別の温度計（第二の温度計）
【図１】
2006071532.tif 000006
【図２】
2006071532.tif 000007
【図３】
2006071532.tif 000008
【図４】
2006071532.tif 000009
【図５】
2006071532.tif 000010
【図６】
2006071532.tif 000011
【図７】
2006071532.tif 000012
【図８】
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