(57)【要約】【課題】光ファイバに入射するパワーが変動しても、光ファイバ全体で信号対ノイズ比を改善し高精度に測定できる光ファイバ分布型温度測定装置を実現する。【解決手段】光ファイバ増幅器から出力される光パルス列を入射する光ファイバから得られる後方ラマン散乱光よりストークス光とアンチストークス光に分波抽出して電気信号に変換した夫々の受光信号のレベルを、前記光ファイバ増幅器から出力される光パルス列のパワー変動に応じて補正するレベル補正部と、レベル補正された夫々の受光信号に対して相関処理を施して復調する相関処理部と、夫々の相関処理部の出力に基づいて温度信号を算出する温度演算部と、を具備する光ファイバ分布型温度測定装置において、  前記夫々の相関処理部で前記光パルス列に対応して設定される係数を、前記光ファイバ増幅器から出力される光パルス列のパワー変動に応じて補正する係数補正手段を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ増幅器から出力される光パルス列を入射する光ファイバから得られる後方ラマン散乱光よりストークス光とアンチストークス光に分波抽出して電気信号に変換した夫々の受光信号のレベルを、前記光ファイバ増幅器から出力される光パルス列のパワー変動に応じて補正するレベル補正部と、レベル補正された夫々の受光信号に対して相関処理を施して復調する相関処理部と、夫々の相関処理部の出力に基づいて温度信号を算出する温度演算部と、を具備する光ファイバ分布型温度測定装置において、
前記夫々の相関処理部で前記光パルス列に対応して設定される係数を、前記光ファイバ増幅器から出力される光パルス列のパワー変動に応じて補正する係数補正手段を備えることを特徴とする光ファイバ分布型温度測定装置。
【請求項２】
前記光ファイバに入射する光パルス列にゴーレイ符号による符号変調を行う符号生成回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ分布型温度測定装置。
【請求項３】
前記光ファイバ増幅器は、ＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ分布型温度測定装置。
【請求項４】
前記光ファイバ増幅器から出力される光パルス列のパワー変動を予め記憶する記憶手段からの補正情報に基づいて、前記レベル補正部のレベル補正と前記相関処理部の係数補正を実行することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光ファイバ分布型温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ増幅器から出力される光パルス列を入射する光ファイバから得られる後方ラマン散乱光よりストークス光とアンチストークス光に分波抽出して電気信号に変換した夫々の受光信号のレベルを、前記光ファイバ増幅器から出力される光パルス列のパワー変動に応じて補正するレベル補正部と、レベル補正された夫々の受光信号に対して相関処理を施して復調する相関処理部と、夫々の相関処理部の出力に基づいて温度信号を算出する温度演算部と、を具備する光ファイバ分布型温度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、光ファイバへのパルス入射光に対する散乱光スペクトルを説明する模式図である。入射光と同一波長でレイリー散乱光が発生し、入射光と所定波長離れた長波側及び短波側にブルリアン散乱光が発生し、入射光と更に所定波長離れた長波側及び短波側にラマン散乱光が発生する。長波側のラマン散乱光はストークス光、短波側のラマン散乱光はアンチストークス光と称される。
【０００３】
光ファイバ分布型温度測定装置の原理は、温度依存性のある後方ラマン散乱光の２成分（ストークス光、アンチストークス光）の強度を測定し、その強度比から温度を算出する装置である。
【０００４】
図５は、ストークス光とアンチストークス光による温度演算を説明する模式図である。図５（Ａ）に示すストークス光強度の測定値ＬＡと（Ｂ）に示すアンチストークス光強度の測定値ＬＢの強度比の演算に基づいて（Ｃ）に示す距離に対する温度Ｔを測定する。このような原理に基づく光ファイバ分布型温度測定装置については、特許文献１に詳細な技術開示がある。
【０００５】
図６は、従来の光ファイバ分布型温度測定装置の構成例を示す機能ブロック図である。温度測定対象に所定長に渡り敷設され、温度センサとして機能する光ファイバ１の一端側より、レーザ光源２の出力に対して符号生成回路３で符号変調した光パルス列を、光ファイバ増幅器４、光カプラ５、サーキュレータで構成される波長分波器６を介して入射する。
【０００６】
光パルスを光ファイバ１に入射させて得られる後方散乱光を波長分波器６で後方ラマン散乱光の２成分であるストークス光ＬＡ、アンチストークス光ＬＢに分波して抽出する。抽出されたストークス光ＬＡ、アンチストークス光ＬＢは、受光回路で電気信号ＥＡ及びＥＢに変換され、増幅回路９を介してＡ／Ｄ変換回路１０でデジタル信号に変換される。
【０００７】
タイミング発生回路１１は、Ａ／Ｄ変換回路１０及び符号生成回路３にタイミング信号を供給する。符号化された光パルス列に対応して測定される電気信号ＥＡ及びＥＢのデジタル変換信号は、平均化処理部１２で平均化処理され、レベル補正部１２に入力する。
【０００８】
光ファイバ増幅器４は、一般にＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）で実現される。ＥＤＦＡは、測定のダイナミックレンジを改善させるために備えるが、その出力特性により光パルス列のパワーが変動して不均一となり、温度測定の精度に影響を及ぼす。
【０００９】
このパワー変動に起因する出力特性ａをフォトダイオード７で検出し、レベル補正部１３において出力特性aに応じた係数a1,a2,a3,…aNを各パルス列信号に乗算することによってレベル補正を実行し、波形歪や雑音を抑制する。
【００１０】
レベル補正部１３により補正された信号ＳＡ（s1,s2,s3,…sN）及びＳＢ（s1,s2,s3,…sN）は、相関処理部１４Ａ及び１４Ｂに入力する。相関処理により復調された信号ＤＡ（d1,d2,d3,…dN）及びＤＢ（d1,d2,d3,…dN）は、温度演算部１５に入力され、算出された温度信号Ｔが温度表示部１６に渡されて表示され、または上位装置に通知される。
【００１１】
相関処理部１４Ａ及び１４Ｂは、光パルス列の数に対応したＮ個のシフトレジスタR1,R2,R3,…RNと、これらシフトレジスタの出力に相関係数k1,k2,k3,…kNを乗算する乗算手段M1,M2,M3,…MNと、これら乗算手段の出力を加算して復調した信号を出力する加算手段Ｓよりなる。相関係数には入力する符号と同じものを使用し、入力した符号と整合したとき最大出力信号レベルを得る。
【００１２】
レベル補正部１３及び相関処理部１４の動作の詳細については、信号処理内容が共通する、レイリー散乱光やフレネル反射光を用いる光ファイバ試験装置に関する特許文献２に技術開示がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−２４０１７４号公報
【特許文献２】特開２００９−１５６７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来装置では次のような問題がある。
（１）従来技術のレベル補正手法では、入射するパワーが不均一となる光ファイバ両端部分において段階的に係数を乗算する（特許文献２、図３参照）。段階的に係数を乗算した部分においては波形歪や雑音が抑制されるが、光ファイバ両端以外の部分においては一定の係数を乗算しているのみであるため、波形歪や雑音は抑制されない。従って光ファイバ両端以外の部分が測定対象となるような温度測定の場合、従来技術では波形歪や雑音抑制の効果は少ない。
【００１５】
（２）信号対ノイズ比の観点でみると、従来技術ではレベル補正において受光信号に係数を乗算していることから、基本的に補正前後で信号対ノイズ比は変わらず、光ファイバ全体で高精度に測定するには至らない。
【００１６】
本発明の目的は、光ファイバに入射するパワーが変動しても、光ファイバ全体で信号対ノイズ比を改善し高精度に測定できる光ファイバ分布型温度測定装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）光ファイバ増幅器から出力される光パルス列を入射する光ファイバから得られる後方ラマン散乱光よりストークス光とアンチストークス光に分波抽出して電気信号に変換した夫々の受光信号のレベルを、前記光ファイバ増幅器から出力される光パルス列のパワー変動に応じて補正するレベル補正部と、レベル補正された夫々の受光信号に対して相関処理を施して復調する相関処理部と、夫々の相関処理部の出力に基づいて温度信号を算出する温度演算部と、を具備する光ファイバ分布型温度測定装置において、
前記夫々の相関処理部で前記光パルス列に対応して設定される係数を、前記光ファイバ増幅器から出力される光パルス列のパワー変動に応じて補正する係数補正手段を備えることを特徴とする光ファイバ分布型温度測定装置。
【００１８】
（２）前記光ファイバに入射する光パルス列にゴーレイ符号による符号変調を行う符号生成回路を備えることを特徴とする（１）に記載の光ファイバ分布型温度測定装置。
【００１９】
（３）前記光ファイバ増幅器は、ＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）であることを特徴とする（１）または（２）に記載の光ファイバ分布型温度測定装置。
【００２０】
（４）前記光ファイバ増幅器から出力される光パルス列のパワー変動を予め記憶する記憶手段からの補正情報に基づいて、前記レベル補正部のレベル補正と前記相関処理部の係数補正を実行することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の光ファイバ分布型温度測定装置。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、従来構成の相関処理部１４Ａ及び１４Ｂにおいて固定で設定されている相関係数k1,k2,k3,…kNを、レベル補正部１３において用いた、光ファイバ増幅器４の出力特性aに応じた係数a1,a2,a3,…aNと同一係数により補正することで、信号対ノイズ比を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を適用した光ファイバ分布型温度測定装置の一実施例を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明の効果を説明する波形図である。
【図３】ノイズ印加時の本発明の効果を説明する波形図である。
【図４】光ファイバへのパルス入射光に対する散乱光スペクトルを説明する模式図である。
【図５】ストークス光とアンチストークス光による温度演算を説明する模式図である。
【図６】従来の光ファイバ分布型温度測定装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を適用した光ファイバ分布型温度測定装置の一実施例を示す機能ブロック図である。図４で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００２４】
図１において、本発明を適用した相関処理部を１００Ａ及び１００Ｂで示す。図４で示した従来構成における相関処理部１４Ａ及び１４Ｂとの相違点は、相関係数k1,k2,k3,…kNに対する係数補正手段１０１，１０２，１０３，…１０Ｎを追加した構成にある。
【００２５】
これら係数補正手段１０１，１０２，１０３，…１０Ｎは、光ファイバ増幅器４のパワー変動に起因する出力特性aに応じた係数a1,a2,a3,…aNを、相関処理部１４Ａ及び１４Ｂの相関係数k1,k2,k3,…kNの設定値に乗算して補正する。
【００２６】
各相関処理部１４Ａ及び１４Ｂの最大出力信号レベルは、入力信号s1,s2,s3,…sN、相関係数k1,k2,k3,…kNとすると式（１）で示される。
信号レベル＝(s1×k1)+(s2×k2)+(s3×k3)…+(sN×kN)                                    （１）
【００２７】
一方、ノイズn1,n2,n3,…nNが入力された場合の出力は、整合しないので平方和となり式（２）で示される。
ノイズレベル＝√｛(n1×k1)2+(n2×k2)2+(n3×k3)2+…+(nN×kN)2｝      （２）
【００２８】
光ファイバ増幅器４のパワー変動により、相関処理後の信号レベルが減衰し、信号対ノイズ比が劣化する場合がある。本発明では、相関係数k1,k2,k3,…kNに、光ファイバ増幅器４の出力特性aに応じた係数a1,a2,a3,…aNを乗算して補正をすることで、信号対ノイズ比を改善する。これによって、入力信号と相関係数が整合するため、信号対ノイズ比を改善することができる。
【００２９】
具体的に図１に示した相関処理部１００Ａの信号対ノイズ比を算出し、本発明の効果を確認する。通常、光ファイバ分布型温度測定装置の相関処理部への入力信号は、光ファイバ全箇所からの反射信号の重ね合わせであるが、ここでは全箇所中1箇所の反射信号に着目して考える。
【００３０】
まず、光ファイバ増幅器４のパワー変動の影響がない理想的な場合を考える。相関処理部１００Ａに（1,1,-1,-1,1,-1,1,-1）の符号が入力し、相関係数を符号列と同じとすると、式（１）より最大出力信号レベルは8となる。一方、レベルσのノイズが入力した場合は、式（２）より√８σとなる。よって理想的な相関処理後の信号対ノイズ比は、２.８×１／σとなる。
【００３１】
次に、光ファイバ増幅器４のパワー変動の影響があり、その出力特性が0.5を底とする指数関数である場合を考える。出力特性によって（1,0.5,-0.25,-0.125,...）が入力され、本発明の補正をしない場合、相関処理後の最大出力信号レベルは式（１）より約２.０となる。ノイズレベルは変わらないので、信号対ノイズ比は、０.７×１／σとなる。
【００３２】
本発明では、相関係数k1,k2,k3,…kNに、光ファイバ増幅器４の出力特性aに応じた係数a1,a2,a3,…aNを乗算して相関処理を行う。相関係数は（1,0.5,-0.25,-0.125,...）となり、そのときの最大出力信号レベルは式（１）より約１.２となる。
【００３３】
ノイズレベルは、相関係数に応じて式（２）より約１.１σとなる。よって、信号対ノイズ比は１.１×１／σとなり、本発明の補正によって改善が得られることがわかる。
【００３４】
上記の具体例により、光ファイバ１箇所からの反射信号の信号対ノイズ比の改善が確認できた。光ファイバ全体においては、各箇所からの反射信号の重ね合わせであるため、この算出手法を適用することができる。
【００３５】
しかし、実際は相関処理時に発生するサイドローブと呼ばれる不要信号による干渉があるため、理想的な改善は得られないことがある。このため、一般的には、光ファイバ分布型温度測定装置に用いられるレーザ光のパルス列符号は、理想的にはサイドローブのないゴーレイ符号等が用いられる。
【００３６】
実際には、波形の振幅の変化や本発明のように相関係数に補正をかけること等でサイドローブが発生するが、ゴーレイ符号を使用することによりこのサイドローブを低減できると考えられる。
【００３７】
図２は、本発明の効果を説明する波形図である。図２（Ａ）の（イ），（ロ）は、理想的な相関処理前及び処理後の波形、図２（Ｂ）の（イ），（ロ）は、補正のない相関処理前及び処理後の波形、図２（Ｃ）の（イ），（ロ）は、補正のある相関処理前後の波形のシミュレーション例を示す。この例においては補正のあるないによらず、サイドローブは同等レベルと考えられる。
【００３８】
図２（Ｄ）の（イ），（ロ）は、ゴーレイ符号等の使用による相関処理前及び処理後の波形のシミュレーション例を示し、サイドローブ処理が理想的に実行された場合の波形を示している。
【００３９】
図３は、さらに同じ条件でノイズ印加時の本発明の効果を説明する波形図である。図３（Ａ）の（イ），（ロ）は、ノイズを印加した場合の理想的な相関処理前及び処理後の波形、図３（Ｂ）の（イ），（ロ）は、ノイズを印加して補正のない場合の相関処理前及び処理後の波形、図３（Ｃ）の（イ），（ロ）は、ノイズを印加して補正のある場合の相関処理前及び処理後の波形のシミュレーション例を示す。
【００４０】
図の波形においてピーク値を信号レベル、ピーク値を除く平方和をノイズレベルとして数値で比較すると以下のようになり、本発明による補正の効果を確認することができる。
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【００４１】
以上説明した実施例では、相関係数の補正値は、信号対ノイズ比を改善するため、パワー変動に起因する光ファイバ増幅器４の出力特性そのものを用いたが、光ファイバ増幅器から出力される光パルス列のパワー変動パターンを予め記憶保持する記憶手段からの補正情報に基づいて、前記レベル補正部のレベル補正と前記相関処理部の係数補正を行ってもよい。
【００４２】
本発明を適用した相関処理部１００Ａ、１００Ｂにおける相関係数の補正手法は、レイリー散乱光、フレネル反射光、ブリルアン散乱光等を用いた各種光ファイバ試験装置、測定装置に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１  光ファイバ
２  レーザ光源
３  符号生成回路
４  光ファイバ増幅器
５  光カプラ
６  波長分波器
７  フォトダイオード
８  受光回路
９  増幅回路
１０  Ａ／Ｄ変換回路
１１  タイミング発生回路
１２  平均化回路
１３  レベル補正部
１５  温度演算部
１６  温度表示部
１００Ａ、１００Ｂ  相関処理部
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，…ＲＮ  シフトレジスタ
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…ＭＮ  乗算手段
Ｓ  加算手段
a1,a2,a3,…aN  光ファイバ増幅器の出力特性係数
k1,k2,k3,…kN  相関係数
１０１，１０２，１０３，…１０Ｎ  係数補正手段
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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【図３】
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