(57)【要約】【課題】比較的短時間で高分解能の高速測定が行える光ファイバ分布型測定装置を提供すること。【解決手段】ラマン後方散乱光を所定の周波数でサンプリングして利用する光ファイバ分布型測定装置において、前記サンプリング周波数を整数倍に引き上げることによりデータ補間を行うデータ補間手段を設けたことを特徴とするもの。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラマン後方散乱光を所定の周波数でサンプリングして利用する光ファイバ分布型測定装置において、
前記サンプリング周波数を整数倍に引き上げることによりデータ補間を行うデータ補間手段を設けたことを特徴とする光ファイバ分布型測定装置。
【請求項２】
前記データ補間手段は、
周波数変換前のサンプリング周波数をｆ１、周波数変換後のサンプリング周波数をｆ２としたとき、サンプリング周波数ｆ１で得られた各サンプルデータの後に（ｆ２／ｆ１）−１個の「０」を挿入する０挿入部と、
遮断周波数がｆ１／２のフィルタ特性を有し、前記「０」が挿入されたデータ列を通すことによりアンチエイリアシング処理を行って折り返しノイズを除去するローパスフィルタ、
を含むことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ分布型測定装置。
【請求項３】
前記ラマン後方散乱光のストークス光強度Ｉｓとアンチストークス光強度Ｉａの強度比Ｉｓ／Ｉａに基づき、光ファイバの温度分布を測定することを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバ分布型測定装置。
【請求項４】
前記データ補間手段は、
温度変換後のデータに対してデータ補間を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバ分布型測定装置。
【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分布型測定装置に関し、詳しくは、サンプリング分解能の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバをセンサとして用いた分布型測定装置の一種に、光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された温度測定装置がある。この技術は光ファイバ内で発生する後方散乱光を利用している。
【０００３】
後方散乱光には、レイリー散乱光、ブリルアン散乱光、ラマン散乱光などがあるが、温度測定には温度依存性の高い後方ラマン散乱光が利用され、この後方ラマン散乱光を波長分波して測定を行う。後方ラマン散乱光には、入射光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る。
【０００４】
光ファイバ分布型温度測定装置は、ストースク光とアンチストークス光の強度を測定してその強度比から温度を算出し、光ファイバに沿った温度分布を表示するものであり、プラント設備の温度管理、防災関連の調査・研究、発電所や大型建設物の空調関連などの分野で利用されている。
【０００５】
図７は、このような従来の光ファイバ分布型温度測定装置の一例を示すブロック図である。図７において、光源１は光分波器２の入射端に接続され、光分波器２の入出射端には光ファイバ３が接続され、光分波器２の一方の出射端には光電変換器（以下Ｏ／Ｅ変換器という）４ｓが接続され、光分波器２の他方の出射端にはＯ／Ｅ変換器４ａが接続されている。
【０００６】
Ｏ／Ｅ変換器４ｓの出力端子にはアンプ５ｓおよびＡ／Ｄ変換器６ｓを介して演算制御部７に接続され、Ｏ／Ｅ変換器４ａの出力端子にはアンプ５ａおよびＡ／Ｄ変換器６ａを介して演算制御部７に接続されている。なお、演算制御部７は、光源１にも接続されている。
【０００７】
光源１としてはたとえばレーザダイオードが用いられ、演算制御部７からのタイミング信号に対応してパルス光を出射する。光分波器２は、その入射端に光源１から出射されたパルス光が入射され、その入出射端から出射されたパルス光を光ファイバ３に出射し、光ファイバ３内で発生した後方ラマン散乱光をその入出射端から入射してストークス光とアンチストークス光に波長分離する。光ファイバ３は、その入射端から光分波器２から出射されたパルス光を入射し、光ファイバ３内で発生した後方ラマン散乱光をその入射端から光分波器２に向けて出射する。
【０００８】
Ｏ／Ｅ変換器４ｓおよび４ａとしてはたとえばフォトダイオードが用いられ、Ｏ／Ｅ変換器４ｓには光分波器２の一方の出射端から出射されたストークス光が入射され、Ｏ／Ｅ変換器４ａには光分波器２の他方の出射端から出射されたアンチストークス光が入射されて、それぞれ入射光に対応する電気信号を出力する。
【０００９】
アンプ５ｓおよび５ａは、Ｏ／Ｅ変換器４ｓおよび４ａから出力された電気信号をそれぞれ増幅する。Ａ／Ｄ変換器６ｓおよび６ａは、アンプ５ｓおよび５ａから出力された信号をそれぞれディジタル信号に変換する。
【００１０】
演算制御部７は、Ａ／Ｄ変換器６ｓおよび６ａから出力されたディジタル信号に基づいて後方散乱光の２成分、すなわち、ストークス光とアンチストークス光の強度比から温度を演算し、その時系列に基づいて光ファイバ３に沿った温度分布を表示手段（図示せず）に表示する。なお、演算制御部７にはあらかじめ、強度比と温度の関係がテーブルや式の形で記憶されている。また、演算制御部７は、光源１にタイミング信号を送り、光源１から出射される光パルスのタイミングを制御する。
【００１１】
次に温度分布測定の原理を説明する。ストークス光およびアンチストークス光の信号強度を光源１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すと、光ファイバ３中の光速が既知であるので、光源１を基準にして光ファイバ３に沿った距離の関数に置き換えることができる。すなわち、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およびアンチストークス光の強度、つまり距離分布とみなすことができる。
【００１２】
一方、ストークス光強度Ｉｓとアンチストークス光強度Ｉａはいずれも光ファイバ３の温度に依存し、さらに、両光の強度比Ｉｓ／Ｉａも光ファイバ３の温度に依存する。したがって、強度比Ｉｓ／Ｉａ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。ここで、強度比Ｉｓ／Ｉａは距離ｘの関数Ｉｓ（ｘ）／Ｉａ（ｘ）であるから、この強度比Ｉｓ（ｘ）／Ｉａ（ｘ）から光ファイバ３に沿った温度分布Ｔ（ｘ）を求めることができる。
【００１３】
光ファイバ分布型温度測定装置に関連する先行技術文献としては、次のようなものがある。
【００１４】
【特許文献１】特開２００９−１１５５６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで図８は、図７の構成における測定結果例図である。図８において、横軸は距離を示し、縦軸は温度を示していて、横軸のサンプリング間隔は５０ｃｍとなっている。サンプリング間隔は検出部分のサンプリング周波数に反比例し、Ａ／Ｄ変換器６ｓおよび６ａのサンプリング周波数が２００ＭＨｚの場合、およそ５０ｃｍとなる。
【００１６】
距離のサンプリング間隔はＡ／Ｄ変換器６ｓおよび６ａののサンプリング周波数に反比例することから、
サンプリング間隔＝光ファイバ中の光速度／サンプリング周波数／２
≒１００／Ｆｓ（ｍ）
Ｆｓ:サンプリング周波数（ＭＨｚ）
となる。
【００１７】
サンプリング周波数を高くすればサンプリング間隔を小さくできるが、サンプリング周波数を高くすると、検出回路におけるアナログ性能の劣化が大きくなる。そこで、性能対コストを考慮して、一般的にサンプリング周波数は１００ＭＨｚ〜２００ＭＨｚが使用されている。
【００１８】
そして、たとえば２００ＭＨｚサンプルで取得したデータを使ってサンプリング間隔１０ｃｍのデータを得る場合には、サンプル位置を０，１０ｃｍ，２０ｃｍ，３０ｃｍ，４０ｃｍに相当する時間（約０ｎｓ，１ｎｓ，２ｎｓ，３ｎｓ，４ｎｓ）ずらして取得したデータを重ね合わせる「マルチサンプリング」が行われている。
【００１９】
しかし、マルチサンプリングにあたっては、サンプル位置を少しずつずらした波形測定を複数回行う必要があることから、全体を測定するのに相当の時間がかかってしまい、高速測定が行えないという問題がある。
【００２０】
本発明はこのような課題を解決するもので、その目的は、比較的短時間で高分解能の高速測定が行える光ファイバ分布型測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
ラマン後方散乱光を所定の周波数でサンプリングして利用する光ファイバ分布型測定装置において、
前記サンプリング周波数を整数倍に引き上げることによりデータ補間を行うデータ補間手段を設けたことを特徴とする。
【００２２】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の光ファイバ分布型測定装置において、
前記データ補間手段は、
周波数変換前のサンプリング周波数をｆ１、周波数変換後のサンプリング周波数をｆ２としたとき、サンプリング周波数ｆ１で得られた各サンプルデータの後に（ｆ２／ｆ１）−１個の「０」を挿入する０挿入部と、
遮断周波数がｆ１／２のフィルタ特性を有し、前記「０」が挿入されたデータ列を通すことによりアンチエイリアシング処理を行って折り返しノイズを除去するローパスフィルタ、
を含むことを特徴とする。
【００２３】
請求項３記載の発明は、
請求項１または２記載の光ファイバ分布型測定装置において、
前記ラマン後方散乱光のストークス光強度Ｉｓとアンチストークス光強度Ｉａの強度比Ｉｓ／Ｉａに基づき、光ファイバの温度分布を測定することを特徴とする。
【００２４】
請求項４記載の発明は、
請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバ分布型測定装置において、
前記データ補間手段は、
温度変換後のデータに対してデータ補間を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、サンプリング周波数を整数倍に引き上げることにより、周波数変換前のサンプリングデータを補間することができ、高速で高分解能測定を行う光ファイバ分布型測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】図１のデータ補間部７１の具体例を示すブロック図である。
【図３】図１の構成によるデータ挿入例図である。
【図４】図２で用いるローパスフィルタ７１ｄのフィルタ特性例図である。
【図５】図２で用いるローパスフィルタ７１ｄのインパルス応答特性例図である。
【図６】データ補間されたリサンプリング波形例図である。
【図７】従来の光ファイバ分布型温度測定装置の一例を示すブロック図である。
【図８】図７の構成における測定結果例図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の例では、１０ｃｍ間隔のデータを取得する場合について説明する。
【００２８】
図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図７と同じ部分は同一の記号を付して重複する説明は省略する。図１と図７の相違点は、図１では演算制御部７に図２に示すようなデータ補間部７１を設けていることである。このデータ補間部７１は、サンプリング周波数を整数倍に引き上げることによりデータ補間を行う。
【００２９】
図２は、データ補間部７１の具体例を示すブロック図である。データ列格納部７１ａには、サンプリング周波数を整数倍に引き上げる前の図７に示すような従来の構成におけるサンプリング周波数ｆ１でサンプリングされた、図８に示すような５０ｃｍ間隔のデータが格納される。具体的には、たとえば２００ＭＨｚのサンプリング周波数でデータを取得するか、あるいは１００ＭＨｚのサンプリング周波数を使ってサンプル位置を５ｎｓずらしたデータと重ね合わせるマルチサンプリング手法を用いてもよい。
【００３０】
追加データ数算定部７１ｂは、サンプリング周波数を引き上げようとしている整数倍数に基づき、追加すべきデータ数を算定する。すなわち、たとえば１０ｃｍ間隔のサンプルデータは、２００ＭＨｚの第１のサンプリング周波数ｆ１で得られた上記データを、１ＧＨｚの第２のサンプリング周波数ｆ２でリサンプリングすることで得られる。このリサンプリングにあたっては、図８に示されている各サンプルデータの後に、
（ｆ２／ｆ１）−１＝（１０００／２００）−１＝４
で算定される４個の「０」データを挿入すればよい。追加データ数算定部７１ｂは、上式に基づき、追加すべきデータ数を算定する。
【００３１】
「０」データ挿入部７１ｃは、追加データ数算定部７１ｂで算定された所定の「０」データ数（本実施例では４個）を追加する。これにより、図３に示すようなデータ列が作成される。
【００３２】
ローパスフィルタ７１ｄは、図４に示すような遮断周波数が（ｆ１）／２のフィルタ特性を有し、図５に示すようなインパルス応答特性を有するものである。図３のデータ列をこのローパスフィルタ７１ｄに通すことにより、アンチエイリアシング処理が行われて折り返しノイズが除去され、図６に示すように図７のサンプリング波形に比べてデータ補間されたリサンプリング波形を得ることができる。
【００３３】
ここで、元の信号の周波数成分は光ファイバ分布型温度測定装置の送信パルスの持っている信号の周波数成分で決定されるが、この例ではその最大周波数成分が１００ＭＨｚ以下であるとして計算している。リサンプル前の元データのサンプリング周波数は、元の信号の周波数成分の２倍以上で行われていることが必要である。
【００３４】
このように、５０ｃｍ間隔で取得したデータを元に、信号処理により１０ｃｍ間隔（およそ１ＧＨｚサンプル周波数）のデータを作成することで、測定時間は信号処理の時間を無視すれば５０ｃｍ間隔でデータを取得する時間とほぼ同じとなり、従来のマルチサンプリング方式に比べて約１／５に短縮できる。
【００３５】
なお、上記実施例では、データ補間を、サンプリング周波数ｆ１で得られた温度変換前の各サンプルデータに対して行う例を示したが、温度変換後のデータに対して行うことにより、さらに高速処理が行える。
【００３６】
また、上記実施例では、光ファイバをセンサとした分布型温度測定装置の例について説明したが、これに限るものではなく、ＯＴＤＲやＢＯＴＤＲなどの故障点検出にも適用できるものである。
【００３７】
以上説明したように、本発明によれば、サンプリング周波数を整数倍に引き上げることにより、周波数変換前のサンプリングデータを補間することができ、比較的短時間で高分解能の高速測定が行える光ファイバ分布型測定装置を実現でき、光ファイバをセンサとした温度分布測定や故障検出などに好適である。
【符号の説明】
【００３８】
１  光源
２  光分波器
３  光ファイバ
４ｓ，４ａ  Ｏ／Ｅ変換器
６ｓ，６ａ  Ａ／Ｄ変換器
７  演算制御部
７１  データ補間部
７１ａ  データ列格納部
７１ｂ  追加データ数算定部
７１ｃ  「０」データ挿入部
７１ｄ  ローパスフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図７】
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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８】
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