(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバに擬似ランダム符号（以下、「ＰＮ符号」ともいう。）で変調された連続光を出射し、該擬似ランダム符号変調された連続光によって前記光ファイバ内で発生するラマン散乱光を含む後方散乱光を前記光ファイバから受け、前記後方散乱光に含まれている前記ラマン散乱光のストークス光及びアンチストークス光を検出し、該ストークス光及びアンチストークス光の光強度に基づいて前記光ファイバの温度分布測定を行う光ファイバ温度分布測定装置において、
第１の波長λ１及び第２の波長λ２（＞λ１）を含む擬似ランダム符号変調された連続光が前記光ファイバに入射されたときに、前記第１の波長λ１の擬似ランダム符号変調された連続光によって前記光ファイバ内で発生する前記ラマン散乱光における第１のストークス光の波長λ１ｓと、前記第２の波長λ２の擬似ランダム符号変調された連続光によって前記光ファイバ内で発生する前記ラマン散乱光における第２のアンチストークス光の波長λ２ａとが共に、λ１＜λ１ｓ＜λ２，λ１＜λ２ａ＜λ２を満たすとともに、第１のストークス光の波長λ１ｓと第２のアンチストークス光の波長λ２ａとがほぼ同一となる、前記第１の波長λ１の変調光及び前記第２の波長λ２の変調光をそれぞれ出射する第１の出射手段と第２の出射手段、および前記第１の出射手段から出射された連続光と前記第２の出射手段から手段された連続光とを合波して前記光ファイバに送出する合波手段を有する送出手段を備えて、前記送出手段に入力する前記ＰＮ符号を、前記第１の出射手段と前記第２の出射手段に前記ＰＮ符号のフレーム単位で切り換えて交互に入力するか、もしくは、前記送出手段に入力する前記ＰＮ符号を、前記第１の出射手段に入力するとともに前記第２の出射手段には前記ＰＮ符号のフレーム単位で極性を切り換えて入力するように構成し、
さらに、
前記光ファイバからラマン散乱光を含む後方散乱光を受け、前記後方散乱光に含まれている前記第１のストークス光λ１ｓ及び前記第２のアンチストークス光λ２ａを選択して出力する波長選択手段と、
前記波長選択手段で選択出力された前記第１のストークス光λ１ｓ及び前記第２のアンチストークス光λ２ａを受光してデジタル信号に変換する第１の受光手段と、
前記デジタル信号を前記ＰＮ符号のフレーム単位で前記ＰＮ符号との相互相関処理によってＰＮ復調して、前記ＰＮ符号のフレーム単位で時間領域で前記第１のストークス光λ１ｓ成分と前記第２のアンチストークス光λ２ａ成分とを分離検出する第１の相関手段と、
時間領域で分離検出した前記第１のストークス光λ１ｓ成分と前記第２のアンチストークス光λ２ａ成分に基づいた第１のレベル比を算出して、前記第１のレベル比に基づいて前記光ファイバの長手方向における温度分布特性を出力する演算手段と
を備えた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】
前記第１の出射手段と前記第２の出射手段には、前記ＰＮ符号が、前記ＰＮ符号のフレーム単位で交互に入力されるように構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】
前記第１の出射手段と前記第２の出射手段に共通の前記ＰＮ符号が同相で入力される変調モード１と、
前記第１の出射手段と前記第２の出射手段に共通の前記ＰＮ符号が逆相で入力される変調モード２とを、
前記ＰＮ符号のフレーム単位で切り換えるように構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４】
前記光ファイバからレーリ散乱光を含む後方散乱光の一部を分岐して受け、前記後方散乱光に含まれている前記第１の波長λ１に対応したレーリ散乱光及び前記第２の波長λ２に対応したレーリ散乱光を受光してデジタル信号に変換する第２の受光手段と、
前記デジタル信号を前記ＰＮ符号との相互相関処理によってＰＮ復調して、前記ＰＮ符号のフレーム単位で時間領域で前記第１の波長λ１に対応したレーリ散乱光成分と前記第２の波長λ２に対応したレーリ散乱光成分とを分離検出する第２の相関手段と、
をさらに備え、
前記演算手段は、前記第１の波長λ１に対応したレーリ散乱光成分と前記第２の波長λ２に対応したレーリ散乱光に基づいた第２のレベル比を算出して、前記第１のレベル比を前記第２のレベル比で規格化して前記光ファイバの長手方向における温度分布特性として出力するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項５】
前記第２の相関手段におけるデジタル信号のＰＮ復調処理と、前記第２の演算手段における第２のレベル比の算出処理と、前記演算手段における規格化処理を行うタイミングを制御する制御手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項６】
前記演算手段は、
前記第１の相関手段からの出力と、前記第２の相関手段からの出力とが並行して入力されて、前記第１のレベル比を前記第２のレベル比で規格化して前記光ファイバの長手方向における温度分布特性として出力するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項７】
前記送出手段は、
第１の波長成分を遮断し、第２の波長成分を透過させる特性のエッジフィルタを備えていることを特徴とする請求項４乃至６に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項８】
前記波長選択手段は、
第１の波長成分と第２の波長成分とを遮断し、
前記第１のストークス光λ１ｓ成分と前記第２のアンチストークス光λ２ａ成分を透過させる特性のバンドパスフィルタを備えていることを特徴とする請求項４乃至７に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項９】
前記第２の受光手段は、分岐比が１／５００〜１／５０００の光カプラを備えることにより、前記光ファイバからレーリ散乱光を含む後方散乱光の１／５００〜１／５０００を分岐するように構成されていることを特徴とする請求項４乃至８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、光ファイバ上の温度分布を、前記光ファイバにおけるラマン散乱光の計測に基づいて観測する光ファイバ温度分布測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometry：光学式時間領域反射計測）技術を活用して、光ファイバ内で発生するラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光の光強度を検出し、これに基づいて光ファイバの温度分布を測定する光ファイバ温度分布測定装置があった。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
特許文献１に記載の光ファイバ温度分布測定装置の概略構成を図１３に示す。
光パルス発生手段１０７は波長λｐの光パルスを発生し光合分波器１０８へ出射する。
光合分波器１０８は、光パルス発生手段１０７からの光パルスを受けて光ファイバ１１０へ出射し、そして、光ファイバ１１０からのラマン散乱光を含む後方散乱光を受けて、この後方散乱光に含まれているラマン散乱光のストークス光（波長λｓ）及びアンチストークス光（波長λａ）をそれぞれ、処理手段１０９からの制御信号にしたがって順次分波（透過）して受光器（ＰＤ）１０４へ出射する。
【０００４】
受光器（ＰＤ）１０４は、光合分波器１０８から順次入射されるストークス光及びアンチストークス光を受光して、電気信号に変換し、処理手段１０９へ出力する。
処理手段１０９は、受光器（ＰＤ）１０４からの電気信号のデータ処理、すなわちＡ／Ｄ変換、平均化処理、演算等を行って、ストークス光及びアンチストークス光の光強度から光ファイバの温度分布特性を求める。
【０００５】
また、処理手段１０９は、光合分波器１０８が分波する波長を、上述の平均化処理に合わせて、ストークス光の波長λｓとアンチストークス光の波長λａに順次切り替えるための制御信号を光合分波器１０８へ出力する。なお、光ファイバ１１０に入射される光パルスの波長λｐが、例えば１．５５μｍとすると、光ファイバ１１０内で発生するラマン散乱光のストークス光の波長λｓは１．６５μｍ（＝λｐ＋Δｆ）、アンチストークス光の波長λａは１．４５μｍ（＝λｐ−Δｆ）である。なお、以上の説明は、前記波長のシフト量Δｆが０．１μｍの場合の説明である。
前記波長のシフト量Δｆは光ファイバ１１０を構成する物質固有のものであり、入射光の波長λｐには依存しない。
【０００６】
光合分波器１０８は、波長の異なる３つの光、すなわちアンチストークス光（波長λａ）、光パルス（波長λｐ）及びストークス光（波長λｓ）を分離するために、複数の光学フィルタや、処理手段１０９から入力される制御信号で制御されるアクチュエータ等を備えている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の光ファイバ温度分布測定装置では、波長の異なる３つの光、すなわちアンチストークス光（波長λａ）、光パルス（波長λｐ）及びストークス光（波長λｓ）を、例えば上述の光合分波器１０８のような光フィルタで分離しなければならないために、光フィルタの構造が複雑となり装置の小型化、経済化には不向きであるという問題があった。
【０００８】
特許文献２に記載の発明は、これらの課題を解決するために、ラマン散乱光のストークス光の波長とアンチストークス光の波長とが同一波長になるように構成した光ファイバ温度分布測定装置を提供したものである。
【０００９】
図１４に示したように、特許文献２に記載の光ファイバ温度分布測定装置２００は、光ファイバに光パルスを出射し、該光パルスによって前記光ファイバ内で発生するラマン散乱光を含む後方散乱光を前記光ファイバから受け、前記後方散乱光に含まれている前記ラマン散乱光のストークス光及びアンチストークス光を検出し、該ストークス光及びアンチストークス光の光強度に基づいて前記光ファイバの温度分布測定を行う光ファイバ温度分布測定装置において、第１の波長λ１ 及び第２の波長λ２を含む光パルスが前記光ファイバに入射されたときに、前記第１の波長λ １ の光パルスによって前記光ファイバ内で発生する前記ラマン散乱光におけるストークス光の波長λｓと、前記第２の波長λ２の光パルスによって前記光ファイバ内で発生する前記ラマン散乱光におけるアンチストークス光の波長λａとが共に、λｓ＜λ ＜λａを満たす波長λ とほぼ同一となる、前記第１の波長λ１及び前記第２の波長λ２を含む光パルスを発生する光パルス発生手段２０１を備えたものである。
【００１０】
そして、前記光パルスを前記光パルス発生手段２０１から受けて前記光ファイバに出射し、かつ、該光ファイバからの前記後方散乱光を分岐して出射する光カプラ２０２と、該光カプラから入射される前記後方散乱光から、前記ストークス光及びアンチストークス光を選択して出射する波長選択手段２０３と、該波長選択手段からの前記ストークス光及びアンチストークス光を受けて電気信号に変換する受光器（ＰＤ）２０４と、前記電気信号のデータ処理を行って、前記ストークス光及びアンチストークス光の光強度から前記光ファイバの温度分布特性を求める処理手段２０５と、前記データ処理に必要なタイミング信号を発生して出力する制御手段２０６とを備えている。
【００１１】
特許文献２に記載の光ファイバ温度分布測定装置では、第１の波長λ１及び第２の波長λ２を含む光パルスを光ファイバに入射したときに、第１の波長λ１ の光パルスによって光ファイバ内で発生するラマン散乱光におけるストークス光の波長λ１ｓと、第２の波長λ２の光パルスによって光ファイバ内で発生するラマン散乱光におけるアンチストークス光の波長λ２ａとが共に、λ１＜λ ＜λ２ を満たす波長λ とほぼ同一となるようにしたので、ストークス光及びアンチストークス光をそれぞれ、共通の一つの波長λの波長選択手段で選択することができる。
この結果、異なる二つの波長、すなわち波長λｓと波長λａとをそれぞれ選択しなければならなかった従来の光分波器（光フィルタ）に比べて、波長選択手段が単純化でき装置の小型化、経済化が図れるという効果が得られるようになった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平５−１５７６３７号公報
【特許文献２】特開２００５−２６５４５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前記特許文献２に記載の光ファイバ温度分布測定装置では、第１の波長λ１及び第２の波長λ２を含む光パルスを光ファイバに入射する際に、光パワを大きくできないので、十分な精度が得られないという問題や、温度分布を高い応答性で得ることが困難であるという問題等があった。
そこで、本発明は、ラマン散乱を利用して、低価格で精度が優れ、応答性が高く、使いやすい光ファイバ温度分布測定装置を得ることを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る光ファイバ温度分布測定装置は、
光ファイバに擬似ランダム符号（以下、「ＰＮ符号」ともいう。）で変調された連続光を出射し、該擬似ランダム符号変調された連続光によって前記光ファイバ内で発生するラマン散乱光を含む後方散乱光を前記光ファイバから受け、前記後方散乱光に含まれている前記ラマン散乱光のストークス光及びアンチストークス光を検出し、該ストークス光及びアンチストークス光の光強度に基づいて前記光ファイバの温度分布測定を行う光ファイバ温度分布測定装置において、
第１の波長λ１及び第２の波長λ２（＞λ１）を含む擬似ランダム符号変調された連続光が前記光ファイバに入射されたときに、前記第１の波長λ１の擬似ランダム符号変調された連続光によって前記光ファイバ内で発生する前記ラマン散乱光における第１のストークス光の波長λ１ｓと、前記第２の波長λ２の擬似ランダム符号変調された連続光によって前記光ファイバ内で発生する前記ラマン散乱光における第２のアンチストークス光の波長λ２ａとが共に、λ１＜λ１ｓ＜λ２，λ１＜λ２ａ＜λ２を満たすとともに、第１のストークス光の波長λ１ｓと第２のアンチストークス光の波長λ２ａとがほぼ同一となる、前記第１の波長λ１の変調光及び前記第２の波長λ２の変調光をそれぞれ出射する第１の出射手段と第２の出射手段、および前記第１の出射手段から出射された連続光と前記第２の出射手段から手段された連続光とを合波して前記光ファイバに送出する合波手段を有する送出手段を備えて、前記送出手段に入力する前記ＰＮ符号を、前記第１の出射手段と前記第２の出射手段に前記ＰＮ符号のフレーム単位で切り換えて交互に入力するか、もしくは、前記送出手段に入力する前記ＰＮ符号を、前記第１の出射手段に入力するとともに前記第２の出射手段には前記ＰＮ符号のフレーム単位で極性を切り換えて入力するように構成し、
さらに、
前記光ファイバからラマン散乱光を含む後方散乱光を受け、前記後方散乱光に含まれている前記第１のストークス光λ１ｓ及び前記第２のアンチストークス光λ２ａを選択して出力する波長選択手段と、
前記波長選択手段で選択出力された前記第１のストークス光λ１ｓ及び前記第２のアンチストークス光λ２ａを受光してデジタル信号に変換する第１の受光手段と、
前記デジタル信号を前記ＰＮ符号のフレーム単位で前記ＰＮ符号との相互相関処理によってＰＮ復調して、前記ＰＮ符号のフレーム単位で時間領域で前記第１のストークス光λ１ｓ成分と前記第２のアンチストークス光λ２ａ成分とを分離検出する第１の相関手段と、
時間領域で分離検出した前記第１のストークス光λ１ｓ成分と前記第２のアンチストークス光λ２ａ成分に基づいた第１のレベル比を算出して、前記第１のレベル比に基づいて前記光ファイバの長手方向における温度分布特性を出力する演算手段と
を備えた。
【００１５】
請求項２では、
前記第１の出射手段と前記第２の出射手段には、前記ＰＮ符号が、前記ＰＮ符号のフレーム単位で交互に入力されるように構成されている。
【００１６】
請求項３では、
前記第１の出射手段と前記第２の出射手段に共通の前記ＰＮ符号が同相で入力される変調モード１と、
前記第１の出射手段と前記第２の出射手段に共通の前記ＰＮ符号が逆相で入力される変調モード２とを、
前記ＰＮ符号のフレーム単位で切り換えるように構成されている。
【００１７】
請求項４では、
前記光ファイバからレーリ散乱光を含む後方散乱光の一部を分岐して受け、前記後方散乱光に含まれている前記第１の波長λ１に対応したレーリ散乱光及び前記第２の波長λ２に対応したレーリ散乱光を受光してデジタル信号に変換する第２の受光手段と、
前記デジタル信号を前記ＰＮ符号との相互相関処理によってＰＮ復調して、前記ＰＮ符号のフレーム単位で時間領域で前記第１の波長λ１に対応したレーリ散乱光成分と前記第２の波長λ２に対応したレーリ散乱光成分とを分離検出する第２の相関手段と、
を備え、
前記演算手段は、前記第１の波長λ１に対応したレーリ散乱光成分と前記第２の波長λ２に対応したレーリ散乱光に基づいた第２のレベル比を算出して、前記第１のレベル比を前記第２のレベル比で規格化して前記光ファイバの長手方向における温度分布特性として出力するように構成されている。
【００１８】
請求項５では、
前記第２の相関手段におけるデジタル信号のＰＮ復調処理と、前記第２の演算手段における第２のレベル比の算出処理と、前記演算手段における規格化処理を行うタイミングを制御する制御手段を備えている。
請求項６では、
前記演算手段は、
前記第１の相関手段からの出力と、前記第２の相関手段からの出力とが並行して入力されて、前記第１のレベル比を前記第２のレベル比で規格化して前記光ファイバの長手方向における温度分布特性として出力するように構成されている。
【００１９】
請求項７では、
前記送出手段は、
第１の波長成分を遮断し、第２の波長成分を透過させる特性のエッジフィルタを備えている。
【００２０】
請求項８では、
前記波長選択手段は、
第１の波長成分と第２の波長成分とを遮断し、
前記第１のストークス光λ１ｓ成分と前記第２のアンチストークス光λ２ａ成分を透過させる特性のバンドパスフィルタを備えている。
【００２１】
請求項９では、
前記第２の受光手段は、分岐比が１／５００〜１／５０００の光カプラを備えることにより、前記光ファイバからレーリ散乱光を含む後方散乱光の１／５００〜１／５０００を分岐するように構成されている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、
共通の１つの波長選択手段でよいので、光ファイバ温度分布測定装置を低価格で提供できる。
また、ＰＮ符号で連続光を強度変調して光ファイバに入射するので、従来のパルス式ＯＴＤＲに比べて小さな光源パワでよく、光ファイバの選択肢が広く、単一モードファイバを使用でき、小型化できるとともに、低価格で提供できる。
また、ＰＮ符号で変調して光ファイバに送出するのでＰＮ符号のチップ速度を大きくすることによって精度を向上させることができる。
また、ＰＮ符号で変調して光ファイバに送出し、反射波をＰＮ復調するので、最低1チップ周期分という極めて短時間で計測でき、応答性の優れた温度分布の計測が可能である。
また、センサ、装置とも、原理と構成が簡単明瞭であり、従来方式にくらべて小型、軽量、安価であり、扱いが容易で、電気的なセンシング技術に比較しても外乱に対して高い耐性を持っている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る光ファイバ温度分布測定装置の実施形態の構成図である。
【図２】前記光ファイバ温度分布測定装置の実施例１の構成図である。
【図３】前記光ファイバ温度分布測定装置における各波長と各フィルタの特性を説明する図である。
【図４】前記実施例１の光ファイバ温度分布測定装置における連続光の説明図である。
【図５】前記光ファイバ温度分布測定装置の実施例２の構成図である。
【図６】前記実施例２の光ファイバ温度分布測定装置における連続光の説明図である。
【図７】シミュレーション実験において設定した、距離に対するレーリ散乱光のレベル分布特性を示すグラフ。
【図８】シミュレーション実験において設定した、距離に対する温度分布特性を示すグラフ。  反射応答の実験結果のグラフ。
【図９】シミュレーション実験で得られた、距離に対するレーリ散乱光のレベル分布特性を示すグラフ。
【図１０】シミュレーション実験で得られた、距離に対する温度分布特性を示すグラフ。
【図１１】図１０の特性を規格化した温度分布特性を示すグラフ。
【図１２】ラマン散乱光の例として、波長λ1のストークス光の波形例を示すグラフ。
【図１３】従来例の構成図。
【図１４】別の従来例の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明に係る光ファイバ温度分布測定装置は、
光ファイバに擬似ランダム符号変調された連続光を出射し、該連続光によって前記光ファイバ内で発生するラマン散乱光を含む後方散乱光を前記光ファイバから受け、前記後方散乱光に含まれている前記ラマン散乱光のストークス光及びアンチストークス光を検出し、該ストークス光及びアンチストークス光の光強度に基づいて前記光ファイバの温度分布測定を行うものであり、
図１に示したように、
光ファイバ温度分布測定装置１０は、
共通のＰＮ符号でデジタル変調された第１の波長λ１の連続光及び第２の波長λ２（＞λ１）の連続光を光ファイバＦに送出する送出手段１と、
前記光ファイバＦからの後方散乱光を受けて第１のストークス光λ１ｓ及び第２のアンチストークス光λ２ａを選択して出力する波長選択手段２と、
前記波長選択手段２で選択出力された前記第１のストークス光λ１ｓ及び前記第２のアンチストークス光λ２ａを受光してデジタル信号に変換する第１の受光手段３と、
前記デジタル信号を前記ＰＮ符号との相互相関処理によってＰＮ復調して、時間領域で前記第１のストークス光λ１ｓ成分と前記第２のアンチストークス光λ２ａ成分とを分離検出する第１の相関手段４と、
時間領域で分離検出した前記第１のストークス光λ１ｓ成分と前記第２のアンチストークス光λ２ａ成分に基づいた第１のレベル比を算出して、前記第１のレベル比に基づいて前記光ファイバの長手方向における温度分布特性を出力する演算手段５と
を備えている。
【００２５】
前記送出手段１は、
第１の波長λ１及び第２の波長λ２（＞λ１）を含む連続光が前記光ファイバＦに入射されたときに、前記第１の波長λ１の連続光によって前記光ファイバＦ内で発生する前記ラマン散乱光における第１のストークス光の波長λ１ｓと、前記第２の波長λ２の連続光によって前記光ファイバＦ内で発生する前記ラマン散乱光における第２のアンチストークス光の波長λ２ａとが共に、λ１＜λ１ｓ ＜λ２，λ１＜λ２ａ ＜λ２を満たすとともに、第１のストークス光の波長λ１ｓと第２のアンチストークス光の波長λ２ａとがほぼ同一となる、前記第１の波長λ１の光パスル及び前記第２の波長λ２の連続光を、それぞれの連続光を共通のＰＮ符号でデジタル変調して前記光ファイバＦに送出するように構成されている。
【００２６】
なお、第２の受光手段を備えて、規格化することにより、光ファイバＦの長手方向の距離に応じた減衰特性による影響を補正することができる。
【実施例１】
【００２７】
実施例１の光ファイバ温度分布測定装置２０は、
図２に示したように、
送出手段２１と、光ファイバＦＢと、波長選択手段２２と、第１の受光手段２３と、第２の受光手段２６と、相関手段２４と、信号処理部２５と、制御手段２７を備えている。
【００２８】
前記送出手段２１は、
ＰＮ符号発生回路２１１と、
前記ＰＮ符号発生回路にて発生させた共通のＰＮ符号を、所定のタイミングで切り換えて出力する第１の切り換え手段ＳＷ１と、
前記第１の切り換え手段ＳＷ１で切り換えられたＰＮ符号をドライブアンプで増幅した駆動電流でオンオフ駆動される第１のレーザ発光ダイオードＬＤ１を備えて、前記ＰＮ符号でデジタル変調された第１の波長λ１の連続光を第１の出射ファイバＦＢ１に出射する第１の出射手段２１３と、
前記第１の切り換え手段ＳＷ１で切り換えられたＰＮ符号を増幅した駆動電流でオンオフ駆動される第２のレーザ発光ダイオードＬＤ２を備えて、前記ＰＮ符号でデジタル変調された第２の波長λ２の連続光を第２の出射ファイバＦＢ２に出射する第２の出射手段２１４と、
前記第１の出射ファイバＦＢ１の連続光と前記第２の出射ファイバＦＢ２の連続光とを、図３の特性のエッジフィルタＦ０で合波して合波ファイバＦＢ３に送出する合波手段２１５と、
を備えている。
【００２９】
第１の出射手段２１３から出射される第１の波長λ１と、前記第２の出射手段２１４から出射される第２の波長λ２は、以下の条件を満たすように設定されている。
前記第１の波長λ１の連続光が前記光ファイバＦＢに入射されたときに、前記第１の波長λ１の連続光によって前記光ファイバＦＢ内で発生する前記ラマン散乱光における第１のストークス光の波長をλ１ｓとし、
前記第２の波長λ２の連続光が前記光ファイバＦＢに入射されたときに、前記第２の波長λ２の連続光によって前記光ファイバＦＢ内で発生する前記ラマン散乱光における第２のアンチストークス光の波長をλ２ａとしたとき、
条件１：λ１＜λ１ｓ ＜λ２，且つ、λ１＜λ２ａ ＜λ２
を満たすとともに、
条件２：λ１ｓ≒λ２ａ、即ち、第１のストークス光の波長λ１ｓと第２のアンチストークス光の波長λ２ａとがほぼ同一となる
ように、前記第１の波長λ１と前記第２の波長λ２は設定されている。
【００３０】
光カプラ２３１は、
前記光ファイバＦＢからレーリ散乱光を含む後方散乱光を、第１の分岐ファイバＦＢ４と、第２の分岐ファイバＦＢ５に分岐するものであり、前記第１の分岐ファイバＦＢ４は後述する波長選択手段２２に接続され、前記第２の分岐ファイバＦＢ５は後述する第２の受光用フォトダイオードＰＤ２に接続されている。この光カプラ２３１における前記第１の分岐ファイバＦＢ４と前記第２の分岐ファイバＦＢ５の分岐比は、１：１０００程度に設定されている。
前記第１の分岐ファイバＦＢ４と前記第１の受光ファイバＦＢ６からなる光ファイバの光路を「ラマンアーム」と称し、前記第２の分岐ファイバＦＢ５からなる光ファイバの光路を「レーリアーム」と称する。
【００３１】
前記波長選択手段２２は、
前記光ファイバＦから第１の分岐ファイバＦＢ４を経由した後方散乱光を受けて、図３に示した特性のバンドパスフィルタＦ１によって、第１のストークス光λ１ｓ及び第２のアンチストークス光λ２ａを選択して、第１の受光ファイバＦＢ６へ出力するように構成されている。
【００３２】
前記第１の受光手段２３は、前記第１の受光ファイバＦＢ６と、第１の受光用フォトダイオードＰＤ１と、第１のＡ／Ｄ変換手段ＡＤ１とを備え、
前記第２の受光手段２６は、前記第２の分岐ファイバＦＢ５と、第２の受光用フォトダイオードＰＤ２と、第２のＡ／Ｄ変換手段ＡＤ２とを備えている。
【００３３】
前記第２の受光用フォトダイオードＰＤ２は、前記後方散乱光に含まれている前記第１の波長λ１に対応したレーリ散乱光及び前記第２の波長λ２に対応したレーリ散乱光を受光して電気信号に変換するように構成され、前記電気信号は前記第２のＡ／Ｄ変換手段ＡＤ２でデジタル信号に変換するように構成されている。
これらの２つのＡ／Ｄ変換手段ＡＤ１，ＡＤ２の出力は、第２の切り換え手段ＳＷ２によって所定のタイミングで切り換えられて前記相関手段２４に入力される。
【００３４】
前記相関手段２４は、
前記デジタル信号を前記ＰＮ符号との相互相関処理によってＰＮ復調して、時間領域で前記第１のストークス光λ１ｓ成分と前記第２のアンチストークス光λ２ａ成分とを分離検出する第１の相関手段としての処理と、
前記デジタル信号を前記ＰＮ符号との相互相関処理によってＰＮ復調して、時間領域で前記第１の波長λ１に対応したレーリ散乱光成分と前記第２の波長λ２に対応したレーリ散乱光成分とを分離検出する第２の相関手段としての処理を兼ねた相関手段である。
【００３５】
前記信号処理部２５は、
時間領域で分離検出した前記第１のストークス光λ１ｓ成分と前記第２のアンチストークス光λ２ａ成分に基づいた第１のレベル比（これを「ストークス比」と称する。）を算出するとともに、
前記第１の波長λ１に対応したレーリ散乱光成分と前記第２の波長λ２に対応したレーリ散乱光に基づいた第２のレベル比（これを「レーリ比」と称する。）を算出して、前記第１のレベル比を前記第２のレベル比で規格化して前記光ファイバＦＢの長手方向における温度分布特性として出力するように構成されている。
【００３６】
前記制御手段２７は、
前記信号処理部２５における演算処理と、
前記ＰＮ符号発生回路２１１におけるＰＮ符号の発生処理と、
前記第１の切り換え手段ＳＷ１の切り換えタイミングと、
前記第２の切り換え手段ＳＷ２の切り換えタイミングと、
前記相関手段２４におけるデジタル信号のＰＮ復調処理と、
を制御するように構成されている。
【００３７】
以上のように構成された光ファイバ温度分布測定装置２０においては、
前記第１のレーザ発光ダイオードＬＤ１と、前記第２のレーザ発光ダイオードＬＤ２とを、前記ＰＮ符号発生回路２１１にて発生させたＰＮ符号でデジタル変調する。前記第１の切り換え手段ＳＷ１はＰＮ符号のフレーム毎に切り換えられるので、前記合波光ファイバＦＢ３には、図４に示したように、波長λ１の変調光と波長λ２の変調光とが交互に送出される。
なお、前記合波手段２１５のエッジフィルタＦ０は、第１の波長λ１は透過させずに反射させて前記合波ファイバＦＢ３へ送出し、第２の波長λ２は透過させて前記合波ファイバＦＢ３へ送出する。
【００３８】
以上のようにして合波された波長λ１の変調光と波長λ２の変調光は前記波長選択手段２２に入射する。前記波長選択手段２２のバンドパスフィルタＦ１は、波長λ１の変調光と波長λ２の変調光は共に透過させずに反射させるので前記第１の分岐ファイバＦＢ４に送出する。
このようにして、擬似ランダム符号変調された連続光が前記第１の分岐ファイバＦＢ４から前記光カプラ２３１を介して前記光ファイバＦＢに送出されると、前記光ファイバＦＢによる後方散乱光は前記光カプラ２３１によって第１の分岐ファイバＦＢ４と第２の分岐ファイバＦＢ５とに、分岐比１：１０００で分岐される。
【００３９】
前記第１の分岐ファイバＦＢ４に入射した前記後方散乱光は、前記波長選択手段２２に入射する。この波長選択手段２２のバンドパスフィルタＦ１によって、第１の波長λ１のストークス光λ１ｓ、もしくは第２の波長λ２のアンチストークス光λ２ａとは、選択されて透過して、前記第１の受光ファイバＦＢ６を介して、前記第１の受光用フォトダイオードＰＤ１にて電気信号に変換される。
【００４０】
そして、第１のＡ／Ｄ変換手段ＡＤ１でデジタル信号に変換され、前記第２の切り換え手段ＳＷ２が第１のＡ／Ｄ変換手段ＡＤ１側に切り換えられている間は、前記相関手段２４に入力されるので、前記相関手段２４においては、前記デジタル信号と前記ＰＮ符号との相互相関処理を行うことにより、前記デジタル信号をＰＮ復調して、時間領域で前記第１のストークス光λ１ｓ成分と前記第２のアンチストークス光λ２ａ成分とを分離検出して前記信号処理部２５へ出力する。
前記信号処理部２５では、時間領域で分離検出した前記第１のストークス光λ１ｓ成分と前記第２のアンチストークス光λ２ａ成分に基づいた第１のレベル比を算出する。
【００４１】
前記第２の分岐ファイバＦＢ５に分岐して入射した前記後方散乱光は、前記第２の受光用フォトダイオードＰＤ２にて電気信号に変換される。なお、前記第２の受光用フォトダイオードＰＤ２に入力される前記後方散乱光のレベルは１／１０００程度になっているので、元々レーリ散乱光のレベルに比して１／１０００程度であるラマン散乱光成分は実質的に無視されることになり、実質的にはレーリ散乱光のみが前記第２の受光用フォトダイオードＰＤ２にて電気信号に変換されるとみなされる。
このようにして、波長λ１、λ２のレーリ散乱光成分は第２のＡ／Ｄ変換手段ＡＤ２にてデジタル信号に変換される。
前記第２の受光用フォトダイオードＰＤ２に入力される前記後方散乱光のレベルは、前記光カプラ２３１によって１／１０００程度に減衰されているので、前記第１の受光用フォトダイオードＰＤ１に入力される前記後方散乱光のレベルとほぼ同等レベルになっており、後続するプリアンプの利得を揃えることができ、それぞれのＡ／Ｄ変換手段に入力する信号レベルを揃えることができる。したがって、受光回路から相関手段の入力までの回路設計が容易になる。分岐比が１／５００〜１／５０００の範囲を外れるとこのような効果が期待できなくなる。
なお、分岐比が１：１０００程度の光カプラに代えて、分岐比が１：１の通常の光カプラで分岐した後に３０ｄＢ程度の光減衰器を挿入してもよい。
【００４２】
ここで、前記制御手段２７からの制御信号によって、前記第２の切り換え手段ＳＷ２が第２のＡ／Ｄ変換手段ＡＤ２側に切り換えられている間は、前記相関手段２４においては、波長λ１、λ２のレーリ散乱光成分が相互相関処理されて、前記第１の波長λ１に対応したレーリ散乱光成分と前記第２の波長λ２に対応したレーリ散乱光に基づいた第２のレベル比（レーリ比）が算出される。
以上のようにして、前記信号処理部２５では、所定のタイミングで前記第１のレベル比と前記第２のレベル比との比を算出することによって、前記第１のレベル比を前記第２のレベル比で規格化することによって、前記光ファイバＦＢの長手方向の位置の違いによるレーリ散乱光のレベルに対する影響を補正する。このようにして補正した第１のレベル比に基づいて、前記光ファイバＦＢの長手方向の温度分布特性に対応した信号を出力するのである。
なお、以上の実施例１では、前記相関手段２４に入力される信号を、第２の切り換え手段ＳＷ２を用いて前記ラマンアーム側（第１のＡ／Ｄ変換手段ＡＤ１側）もしくは前記レーリアーム（第２のＡ／Ｄ変換手段ＡＤ２側）に交互に切り換える構成とすることによって、共通の相関手段２４を利用できるようにしたが、前記相関手段２４に代えて、前記ラマンアーム側の専用の相関手段と、前記レーリアーム側の専用の別の相関手段を備えて前記第２の切り換え手段ＳＷ２を省略することもできる。この場合には、２つの相関手段からの出力信号が同時に得られて、前記信号処理部２５に並行して入力されるので、前記信号処理部２５においては、タイミング切り換え無しで演算処理することができる。その結果として、処理速度が２倍になるという効果も得られる。
【実施例２】
【００４３】
実施例２の光ファイバ温度分布測定装置３０は、
図５に示したように、
送出手段３１と、光ファイバＦＢと、波長選択手段３２と、第１の受光手段３３と、第２の受光手段３６と、相関手段３４と、信号処理部３５と、制御手段３７を備えている。
【００４４】
前記送出手段３１は、
ＰＮ符号発生回路３１１と、
前記ＰＮ符号をドライブアンプで増幅した駆動電流でオンオフ駆動される第１のレーザ発光ダイオードＬＤ１を備えて、前記ＰＮ符号でデジタル変調された第１の波長λ１の連続光を第１の出射ファイバＦＢ１に出射する第１の出射手段３１３と、
前記ＰＮ符号発生回路にて発生させた前記ＰＮ符号と、前記ＰＮ符号を反転させた反転ＰＮ符号とを、所定のタイミングで切り換えて、第２の出射手段３１４へ出力する第１の切り換え手段ＳＷ１と、
前記切り換え手段で切り換えられたＰＮ符号または反転ＰＮ符号を増幅した駆動電流でオンオフ駆動される第２のレーザ発光ダイオードＬＤ２を備えて、前記ＰＮ符号でデジタル変調された第２の波長λ２の連続光を第２の出射ファイバＦＢ２に出射する前述した第２の出射手段３１４と、
前記第１の出射ファイバＦＢ１の連続光と前記第２の出射ファイバＦＢ２の連続光とを、図３の特性のエッジフィルタＦ０で合波して合波ファイバＦＢ３に送出する合波手段２１５と、
を備えている。
【００４５】
また、第１の受光手段３３の出力と、第２の受光手段３６の出力とを、所定のタイミングで切り換える第２の切り換え手段ＳＷ２を備えている。
【００４６】
前記実施例２の光ファイバ温度分布測定装置が、前記実施例１と異なる点は、前記第１の切り換え手段ＳＷ１が、前記第２の出射手段３１４へ、前記ＰＮ符号もしくは前記ＰＮ符号を反転させた反転ＰＮ符号を出射することである。
他の構成は、実施例１同様であるので、その説明を省略する。
【００４７】
実施例２では、図６に示したように、２つの波長λ１、λ２の成分が、共通のＰＮ符号で、同じタイミング且つ同相で変調されて加算された連続光からなるＰＮ符号フレーム（変調モード１）と、逆相で変調されて加算された連続光からなるＰＮ符号フレーム（変調モード２）が交互に生成される。
前記実施例２では、前記第１の切り換え手段ＳＷ１と前記第２の切り換え手段ＳＷ２とを同じタイミングで切り換えて、前記相関手段３４にて、ストークス比とレーリ比を順次求める。
なお、以上の実施例２においても、前記相関手段３４に代えて、前記ラマンアーム側（第１のＡ／Ｄ変換手段ＡＤ１側）の専用の相関手段と、前記レーリアーム側（第２のＡ／Ｄ変換手段ＡＤ２側）の専用の相関手段を備えることにより、前記第２の切り換え手段ＳＷ２を省略することもできる。この場合には、２つの相関手段からの出力信号が同時に得られて、前記信号処理部３５に並行して入力されるので、前記信号処理部３５においては、タイミング切り換え無しで演算処理することができる。その結果として、処理速度が２倍になるという効果も得られる。
【００４８】
図７〜図１１は、シミュレーション実験により、本発明による効果を確認したものである。
図７に示したように、前記光ファイバＦＢにおけるロスは、レーリ成分で、第１の波長λ１では０．２ｄＢ／ｋｍ、第２の波長λ２では０．２２ｄＢ／ｋｍと設定し、
図８に示したように、前記光ファイバＦＢの長手方向に沿って５ｋｍ〜５．２ｋｍにわたって、ラマン成分に現れる温度変化を反射率として±３ｄＢと設定して、シミュレーション実験を行った。なお、ラマン成分の強度は、レーリ成分の１０-4と想定している。
【００４９】
シミュレーション実験においては、ＰＮ符号変調の条件としては、チップレート１００ＭＨｚ，符号長２16−１のＰＮ符号で変調した連続光に対しする反射光に対して相関処理を行った。レ−リアーム側に入射する反射光と、ラマンアーム側に入射する反射光に対して相関処理を行い、同相成分と差動成分から、波長λ１成分と波長λ２成分を演算して求めた。
【００５０】
その結果、図９、１０に示したように、前記図７、８と同じ結果が得られた。
レーリ成分は、図９に示したように、第１の波長λ１では０．２ｄＢ／ｋｍのロス、第２の波長λ２では０．２２ｄＢ／ｋｍのロスが得られた。
また、ラマン成分は、図１０に示したように、５ｋｍ〜５．２ｋｍの範囲で±３ｄＢ相当の反射率の変化として、温度変化に相当する変化が得られた。
そして、図１０の結果から、図９で得られた光ファイバによるロスの影響を演算処理により除去すると、図１１に示したように、光ファイバの長さによるロスの影響を排除した温度分布を測定することができる。
このように、シミュレーション実験の結果によっても、本発明による温度分布測定装置の有用性が立証できた。
なお、図１２には、ラマン散乱光の例として、波長λ1のストークス光の波形例を示した。
【符号の説明】
【００５１】
１０  光ファイバ温度分布測定装置
１  送出手段
ＦＢ  光ファイバ
２  波長選択手段
３  第１の受光手段
４  第１の相関手段
５  演算手段
２０  実施例１の光ファイバ温度分布測定装置
２１  送出手段
ＦＢ  光ファイバ
２２  波長選択手段
２３  第１の受光手段
２４  相関手段
２５  信号処理部
２６  第２の受光手段
２７  制御手段
３０  実施例２光ファイバ温度分布測定装置
３１  送出手段
ＦＢ  光ファイバ
３２  波長選択手段
３３  第１の受光手段
３４  相関手段
３５  信号処理部
３６  第２の受光手段
３７  制御手段
【図１】
0005232879.tif 000002
【図２】
0005232879.tif 000003
【図３】
0005232879.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005232879.tif 000006
【図６】
0005232879.tif 000007
【図７】
0005232879.tif 000008
【図８】
0005232879.tif 000009
【図９】
0005232879.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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