(57)【要約】【課題】  後方散乱光の広いダイナミックレンジの信号に含まれる、温度による微小な強度変化を高分解能で検出することのできる光ファイバ分布型温度測定装置を提供する。【解決手段】  光源１からパルス光が光ファイバ３に出射され、光ファイバ３からの後方散乱光が光分波器２でストークス光とアンチストークス光に分離され、共に光電変換器４で電気信号に変換され、これらの電気信号に基づいてストークス光とアンチストークス光の強度比の時系列から光ファイバ３に沿った温度分布が測定される光ファイバ分布型温度測定装置において、パルス光出力のタイミングに同期して出力される基準信号と電気信号との差分信号を演算制御部７０に出力することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からパルス光が光ファイバに出射され、その後方散乱光が光分波器でストークス光とアンチストークス光に分離され、共に光電変換器で電気信号に変換され、これらの電気信号に基づいて演算制御部で演算されるストークス光とアンチストークス光の強度比から前記光ファイバに沿った温度分布が測定される光ファイバ分布型温度測定装置において、
前記演算制御部にあらかじめ保存されている基準データに基づいて、基準信号を前記パルス光出力のタイミングに同期して出力する基準出力手段と、
前記基準信号と前記電気信号との差分信号を前記演算制御部に出力する差動アンプと
を備えた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】
前記差動アンプから出力される電気信号に対応するディジタル信号を前記演算制御部に出力するＡ／Ｄ変換器を備え、前記基準出力手段がＤ／Ａ変換器からなることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ分布型温度測定装置。
【請求項３】
前記基準データは前記光ファイバの温度が均一の状態で前記差動アンプの出力が一定値となるように設定され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温度測定装置。
【請求項４】
前記基準データは複数の前記光ファイバがコネクタで接続されている状態で設定され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、ラマン後方散乱光を利用した光ファイバ分布型温度測定装置に関し、特に温度による後方散乱光の強度変化を高分解能に検出できる光ファイバ分布型温度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、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技術が確立されている。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。後方散乱光にはレイリー散乱光、ブリルアン散乱光、ラマン散乱光等があるが、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。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、その強度比から温度を算出して光ファイバに沿った温度分布を表示する機器であり、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等の分野で利用されている。
【０００３】
図５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構成ブロック図である。
【０００４】
光源１はレーザダイオードなどからなり、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。
【０００５】
光電変換器（以下Ｏ／Ｅ変換器と記す）４ｓおよび４ａはフォトダイオードなどの受光素子からなり、それぞれ光分波器２の一方の出射端から出射されたストークス光および光分波器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、対応する電気信号をそれぞれ出力する。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。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。
【０００６】
図５の装置の動作を次に説明する。
光源１から出射された光パルスは、光分波器２を経由して光ファイバ３に入射する。光ファイバ３内の各所で入射光によりラマン散乱光（ストークス光及び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２でストークス光とアンチストークス光とに波長分波され、それぞれの光がＯ／Ｅ変換器４ｓ，４ａに導かれる。各Ｏ／Ｅ変換器４ｓ，４ａで変換された電気信号はアンプ５ｓ，５ａでそれぞれ増幅され、それぞれＡ／Ｄ変換器６ｓ，６ａでディジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器６ｓ，６ａから出力されるディジタル信号に基づき、演算制御部７で、前記ストークス光とアンチストークス光の強度比から温度が演算され、その時系列から光ファイバ３に沿った温度分布が測定・表示される。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。
【０００７】
次に温度分布測定の原理を説明する。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及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。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３の温度に依存し、さらに、両光の強度比Ｉａ／Ｉｓも光ファイバ３の温度に依存する。したがって、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。ここで、強度比Ｉａ／Ｉｓは距離ｘ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３に沿った温度分布Ｔ（ｘ）を求めることができる。
【０００８】
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。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−０７１５３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来の装置では、後方散乱光の強度は光ファイバの損失により、距離にしたがって減衰するため（１ｋｍあたり数ｄＢ）、広いダイナミックレンジが必要とされる。ところが、温度による光の強度変化は小さいため（１℃変化あたり０．１ｄＢ未満）、Ａ／Ｄ変換器６ｓ，６ａとして高分解能なものが要求される。このように相反する要求を満足することは困難であった。
【００１１】
本発明はこのような課題を解決しようとするもので、後方散乱光の広いダイナミックレンジの信号に含まれる、温度による微小な強度変化を高分解能で検出することのできる光ファイバ分布型温度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、
光源からパルス光が光ファイバに出射され、その後方散乱光が光分波器でストークス光とアンチストークス光に分離され、共に光電変換器で電気信号に変換され、これらの電気信号に基づいて演算制御部で演算されるストークス光とアンチストークス光の強度比から前記光ファイバに沿った温度分布が測定される光ファイバ分布型温度測定装置において、
前記演算制御部にあらかじめ保存されている基準データに基づいて、基準信号を前記パルス光出力のタイミングに同期して出力する基準出力手段と、
前記基準信号と前記電気信号との差分信号を前記演算制御部に出力する差動アンプと
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
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温度測定装置において、
前記差動アンプから出力される電気信号に対応するディジタル信号を前記演算制御部に出力するＡ／Ｄ変換器を備え、前記基準出力手段がＤ／Ａ変換器からなることを特徴とする。
【００１４】
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温度測定装置において、
前記基準信号は前記光ファイバの温度が均一の状態で測定されることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、
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において、
前記基準信号は複数の前記光ファイバがコネクタで接続されている状態で測定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、光源からパルス光が光ファイバに出射され、その後方散乱光が光分波器でストークス光とアンチストークス光に分離され、共に光電変換器で電気信号に変換され、これらの電気信号に基づいて演算制御部で演算されるストークス光とアンチストークス光の強度比から前記光ファイバに沿った温度分布が測定される光ファイバ分布型温度測定装置において、前記演算制御部にあらかじめ保存されている基準データに基づいて、基準信号を前記パルス光出力のタイミングに同期して出力する基準出力手段と、前記基準信号と前記電気信号との差分信号を前記演算制御部に出力する差動アンプとを備えたことにより、後方散乱光の広いダイナミックレンジの信号に含まれる、温度による微小な強度変化を高分解能で検出することのできる光ファイバ分布型温度測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
図１は本発明の実施の形態に係る、光ファイバ分布型温度測定装置の一実施例を示す構成ブロック図である。図５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。
【００１９】
演算制御部７０は、基準データを時系列の信号としてＤ／Ａ変換器９に出力する。
【００２０】
Ｄ／Ａ変換器９は基準出力手段を構成し、演算制御部７０から送られる基準データに基づいて、基準信号を光源１のパルス光出力のタイミングに同期して出力する。
【００２１】
差動アンプ８ｓ，８ａは、アンプ５ｓ，５ａからそれぞれ出力される電気信号と基準信号との差分を演算する。
【００２２】
Ａ／Ｄ変換器６ｓ，６ａは差動アンプ８ｓ，８ａから出力される各差分信号をそれぞれディジタル信号に変換する。
【００２３】
演算制御部７０は、Ａ／Ｄ変換器６ｓおよび６ａから出力されるディジタル信号に基づいて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、強度比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。
【００２４】
図１の動作を次に説明する。
【００２５】
アンプ５ｓ，５ａからそれぞれ出力された電気信号は、差動アンプ８ｓ，８ａでそれぞれ基準信号との差分が演算され、各差分信号はＡ／Ｄ変換器６ｓ，６ａによりそれぞれディジタル信号に変換される。これらのディジタル信号に基づいて、演算制御部７０は、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、強度比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。また、基準データの時系列信号が演算制御部７０から出力され、Ｄ／Ａ変換器９によりアナログ信号に変換され、光源１のパルス光出力のタイミングに同期した基準信号が差動アンプ８ｓ，８ａに入力される。
【００２６】
なお、演算制御部７０では、Ａ／Ｄ変換器６ｓおよび６ａから出力されるディジタルデータに基準データを加算したものを光強度データとして強度比の演算が行われる。
【００２７】
また、演算制御部７０にあらかじめ保存される基準データとしては、光ファイバ３を恒温槽に入れて温度を均一にした状態で、差動アンプ８ｓ，８ａの出力がフラット（所定のオフセット値）となるようにＤ／Ａ変換器９の出力を調整し、このときＤ／Ａ変換器９に入力された時系列データを設定する。
【００２８】
また、演算制御部７０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。
【００２９】
上記のような構成の光ファイバ分布型温度測定装置によれば、図２のように、光源１のパルス出力（図２Ａ）に対する後方ラマン散乱光において温度による光強度の変化があった場合、アンプ５の出力（図２Ｂ）では、広いダイナミックレンジのため光強度の変化に対して分解能を高くできないが、Ｄ／Ａ変換器９の出力（図２Ｃ）との差をとることによって、差動アンプ８の出力（図２Ｄ）では温度変化の分解能を高くすることができる。
【００３０】
なお、基準信号の生成に光ファイバの理論的な損失特性データを利用してもよい。
【００３１】
また、図３のように光ファイバ間のコネクタ接続などにより損失が変化した場合（図３Ｂ）も、あらかじめ保存された基準データを同様な条件で設定されたもの（図３Ｃ）に変更することによって対応可能である（図３Ｄ）。
【００３２】
また、図４のように、特に高分解能で光強度の変化を測定したい場合は、あらかじめ保存された基準データを変更することによってアンプ５の出力（図４Ｂ）とＤ／Ａ変換器９出力（図４Ｃ）との差を小さくすることにより、Ａ／Ｄ変換のフルスケールまで測定することができる（図４Ｄ）。
【００３３】
また、上記の実施例では温度の上下変動に対応するため、差動アンプ出力にオフセットを設けているが、正負のアナログ信号に対応する両極性のＡ／Ｄ変換器やＤ／Ａ変換器を用いることによりオフセットをなくしてもよい。
【００３４】
また、光分波器から出力されるストークス光とアンチストークス光を光スイッチで交互に切り替えて、単一のＯ／Ｅ変換器に入力してもよい。この場合、Ｏ／Ｅ変換器、アンプ、差動アンプおよびＡ／Ｄ変換器がそれぞれ１つで済むので、コストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態に係る光ファイバ分布型温度測定装置の一実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】図１の装置の各部における光強度信号と距離の関係を示す動作説明図である。
【図３】光ファイバ間にコネクタ接続がある場合における、図１の装置の各部における光強度信号と距離の関係を示す動作説明図である。
【図４】特に高分解能で光強度の変化を測定したい場合における、図１の装置の各部における光強度信号と距離の関係を示す動作説明図である。
【図５】従来の光ファイバ分布型温度測定装置の一例を示す構成ブロック図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  光源
２  光分波器
３  光ファイバ
４ｓ，４ａ  光電変換器
６ｓ，６ａ  Ａ／Ｄ変換器
８ｓ，８ａ  差動アンプ
９  基準出力手段
７０  演算制御部
【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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