(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバをセンサとして用い、ラマン後方散乱光を利用して前記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光ファイバ温度分布測定装置において、
前記光ファイバを二次元的に配線することにより励振器が構成され、
前記励振器は、光ファイバが所定の半径で波型に配線されて円弧状にフォーミングされることにより平面状に形成されることを特徴とする光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項２】
前記励振器は、温度基準部を構成する多層光ファイバシートの一つの層に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項３】
前記励振器が温度基準部に付加されることにより高次モードが除去された温度分布測定結果を得ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバをセンサとして用いる光ファイバ温度分布測定装置に関し、詳しくは、励振器の構造に関する。
【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、特許文献１に記載されているよう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光ファイバ温度分布測定装置がある。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。なお、以下の説明では、光ファイバ温度分布測定装置を必要に応じてＤＴＳ（Distributed Temperature Sensor）とも表記する。
【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ＡＳと、長い波長側に発生するストークス光ＳＴがある。
【０００４】
光ファイバ温度分布測定装置は、これらアンチストークス光の強度Ｉasとストークス光の強度Ｉstと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５は、光ファイバ温度分布測定装置の基本構成例を示すブロック図である。図５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）４stが接続され、光分波器２の他方の出射端にはＯ／Ｅ変換器４asが接続されている。
【０００６】
Ｏ／Ｅ変換器４stの出力端子にはアンプ５stおよびＡ／Ｄ変換器６stを介して演算制御部７に接続され、Ｏ／Ｅ変換器４asの出力端子にはアンプ５asおよびＡ／Ｄ変換器６as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、パルス発生部８を介して光源１に接続されている。
【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、パルス発生部８を介して入力される演算制御部７からのタイミング信号に対応した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ＳＴとアンチストークス光ＡＳ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４stおよび４as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４st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ＳＴが入射され、Ｏ／Ｅ変換器４as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ＡＳ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５stおよび５asは、Ｏ／Ｅ変換器４stおよび４as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６stおよび６asは、アンプ５stおよび５as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６stおよび６as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ＳＴとアンチストークス光ＡＳ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】
温度分布測定の原理を説明する。ストークス光ＳＴおよびアンチストークス光ＡＴ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位置で発生したストークス光ＳＴおよびアンチストークス光ＡＳの強度、つまり距離分布とみなすことができる。
【００１２】
一方、アンチストークス光強度Ｉasとストークス光強度Ｉst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Ｉas／Ｉstも光ファイバ３の温度に依存する。したがって、強度比Ｉas／Ｉstが分かれば、ラマン散乱光が発生した位置の温度を知ることができる。ここで、強度比Ｉas／Ｉstは距離ｘの関数Ｉas（ｘ）／Ｉst（ｘ）であるから、この強度比Ｉas（ｘ）／Ｉst（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】
ところで、光の屈折率が中心軸から同心円状に連続的に変化する材質を用いたGI（Graded-Index）型の光ファイバケーブルの光損失測定では、測定光において複数の伝搬モードが存在することから、各光のパワー分布が変動しないように入射条件を一定にするための励振器が用いられる。
【００１４】
励振器を挿入することにより、接続点で多数発生する高次モードを取り除くことができ、安定した測定値を得ることができる。
【００１５】
また、被測定光ファイバ内に定常モード分布状態の光を入射するため、被測定光ファイバが実際の伝送線路として使用されたときの特性に近い状態で伝送損失を測定できる。
【００１６】
光源からGI形光ファイバに光を入射させると複数のモードが伝播し始めるが、光源との結合方法や光源の種類によっては伝播し得るモードにまんべんなく分配されないことがある。このような場合に励振器を挿入するとその中でモード混合を十分に発生させることができ、伝播モードにまんべんなく光を分配することができる。
【００１７】
さらに、GI型光ファイバの入射光から不要なモードを除くことにより、定常的モードにおける測定が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平５−２６４３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
マルチモード光ファイバのセンサ用光ファイバの近端から戻ってくるラマン散乱光に着目すると、高次モードの光強度が含まれる。この高次モードの光強度は光ファイバに加わる曲げなどのストレスで減衰するが、曲げによる減衰量には波長差があるため、センサ用光ファイバから戻ってくるラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光で差が発生し、センサ用光ファイバの測定温度誤差となる。
【００２０】
高次モードを除去する方法として、たとえばマンドレルに光ファイバを一定の直径（たとえば１５ｍｍ）で複数回（たとえば５回）巻きつけて励振器を構成する方法があるが、マンドレルと光ファイバのフォーミングに必要な大きさのスペースを確保しなければならない。
【００２１】
本発明はこのような課題を解決するもので、その目的は、従来とほぼ同様の比較的小さなスペースであっても励振器を組み込むことができ、高次モードを除去することでより正しい温度分布測定が行える光ファイバ温度分布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】
【００２２】
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、
光ファイバをセンサとして用い、ラマン後方散乱光を利用して前記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光ファイバ温度分布測定装置において、
前記光ファイバを二次元的に配線することにより励振器が構成され、
前記励振器は、光ファイバが所定の半径で波型に配線されて円弧状にフォーミングされることにより平面状に形成されることを特徴とする。
【００２３】
請求項２記載の発明は、
請求項１に記載の光ファイバ温度分布測定装置において、
前記励振器は、温度基準部を構成する多層光ファイバシートの一つの層に形成されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項３記載の発明は、
請求項１または請求項２に記載の光ファイバ温度分布測定装置において、
前記励振器が温度基準部に付加されることにより高次モードが除去された温度分布測定結果を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、スペースをほとんど増加させることなく光ファイバ温度分布測定装置に励振器を追加でき、この励振器で高次モードが除去されることでより正しい温度分布測定が行える。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図２】光ファイバ１０の配線周回数と挿入損失の特性測定例図である。
【図３】センサ用光ファイバの温度が一定状態で測定した高次モードの有無に基づく温度分布測定結果例図である。
【図４】励振器が付加された温度基準部の構成説明図である。
【図５】光ファイバ温度分布測定装置の基本構成例を示すブロック図である。
【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。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）の破線で囲まれた円弧部分ａの拡大図である。図１（Ａ）に示すように、光ファイバ１０の一端は保護チューブ１１から引き出され、たとえばアルミ板を用いた基板１２上に一定の半径Ｒ（たとえば８ｍｍ）の円弧状の波型として所定の周回数（たとえば１０回）で配線されている。
【００２８】
円弧部分ａにおいて、半径Ｒの内側にはたとえば往路の光ファイバ１０ａが設けられ、外側には復路の光ファイバ１０ｂが設けられている。
【００２９】
具体的には、波型の光ファイバ配線は円弧状にフォーミングされて、一筆書きの要領で折り返すことにより、平面の励振器として構成される。この励振器は、多層光ファイバシートで構成される温度基準部の一つの層として一体構成される。
【００３０】
図２は、光ファイバ１０の配線周回数と挿入損失の特性測定例図である。図２に示すように、一定の周回数（たとえば３回）以上で挿入損失は周回数に比例することになり、高次モードが除去される。
【００３１】
図３はセンサ用光ファイバの温度が一定状態で測定した高次モードの有無に基づく温度分布測定結果例図であり、実線Ａは高次モード有りの温度分布特性を示し、破線Ｂは高次モードなしの温度分布特性を示している。実線Ａで示すように高次モードが有る場合には近端の温度分布が低く曲がる現象が発生して測定温度誤差を生じるが、高次モードを除去することで破線Ｂで示すように誤差のない正しい温度分布を測定することができる。
【００３２】
図４は励振器が付加された温度基準部の構成説明図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面断面図である。図４において、アルミ板１２上には、温度基準部を構成するたとえば約６０ｍ長の光ファイバ１３がたとえば４層で厚さ約１．６ｍｍに積層され、これら光ファイバ１３の上部には前述の励振用の約０．５ｍ長の光ファイバ１０が１層で厚さ約０．４ｍｍで追加積層されている。
【００３３】
追加された励振部の外径寸法は下部に設けられている温度基準部と同一であり、励振部の追加による厚みの増加分は約０．４ｍｍと薄いことから、温度基準部だけの場合とほぼ同様の配置スペースが確保できれば無理なく励振器を追加できる。
【００３４】
光ファイバを二次元的に配線することにより構成される本発明に基づく励振器は、光ファイバ温度分布測定装置に限るものではなく、スペースを取らない励振機能付きの光配線部品として広い範囲で応用できる。
【００３５】
なお、上記実施例では基板がアルミ板の例について説明したが、光ファイバを所望のパターンで配置できればアルミ板に限るものではない。
【００３６】
以上説明したように、本発明によれば、スペースをほとんど増加させることなく光ファイバ温度分布測定装置に励振器を追加でき、この励振器で高次モードが除去されることでより正しい温度分布測定が行える光ファイバ温度分布測定装置が実現できる。
【符号の説明】
【００３７】
１０、１３  光ファイバ
１１  保護チューブ
１２  基板
【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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