JP2575324B2 - 光ファイバ式温度分布測定装置 - Google Patents

光ファイバ式温度分布測定装置

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    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、光ファイバの一端に
パルス光を入射したときのラマン後方散乱光を検出して
その光強度の各時間ごとの値より光ファイバの長さ方向
各位置での温度を測定する光ファイバ式温度分布測定装
置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】従来よりOTDR(Optical Time-Do
main Reflectometry)装置による光ファイバ式温度分
布測定装置が知られている。OTDR装置では、光源か
らパルス光を発生させてこれを被測定光ファイバの一端
に入射し、この光ファイバで生じたレーリ散乱やラマン
散乱により後方に戻ってきてその一端から出射した光を
分離する。そして、受光素子に導き電気信号に変換した
上で後方散乱光の強度についての各時間ごとのデータを
得る。この時間ごとのデータをパルス光発生タイミング
を基準にして並べれば、光ファイバの長さ方向での損失
分布が得られる。後方散乱光のうちラマン散乱光成分を
検出すれば、ラマン散乱光は入射光波長からシフトした
波長の光で、短い波長にシフトした反ストークス光と、
長い波長にシフトしたストークス光とからなり、その強
度は温度により敏感に変化することから、光ファイバ長
さ方向各位置での温度分布の測定ができる。
【0003】後方散乱光として検出されるラマン散乱光
は1億分の1ときわめて微弱であるため、光強度の強い
光源を使用する必要がある。半導体レーザ(LD)を光
源として使用した場合、ラマン後方散乱光強度が弱く、
十分な温度測定精度を得ることができない。そのため、
最近実用化された半導体レーザ(LD)励起固体レーザ
を使用して強い光を被測定光ファイバに入射し、強いラ
マン散乱光強度を得るようにしている。これは、従来の
固体レーザの励起用光源であるフラッシュランプをLD
に置き換えたもので、効率が良く、小型化も可能であ
る。現在商品化されているものとして、レーザ発振用の
固体結晶がNdドープYAGあるいはYLFからなるも
ので、発振波長が1.06μmまたは1.32μmのも
のが知られているが、シングルモード光ファイバ用には
波長1.32μmのものが用いられる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、波長
1.32μmの光源を使用すると反ストークス光の波長
が1.25μm、スートクス光の波長が1.40μmと
なり、光ファイバの種類によっては反ストーク光がシン
グルモード光ファイバのカットオフ波長以下になる場合
もあるという問題がある。カットオフ波長以下の波長の
光はシングルモード条件を満たさないため、伝送損失が
大きく、かつ曲がりなどの外乱に対して不安定であり、
精度の高い温度分布測定を安定に行なうことができな
い。
【0005】この問題を解決するため、カットオフ波長
以上の領域にあるストークス光のみを検出して温度計測
を行なうことも考えられるが、ストークス光は温度に対
する感度が反ストークス光の7分の1程度と低く、十分
な温度測定精度を得ることは難しい。
【0006】この発明は、上記に鑑み、強度の大きな光
を発生するLD励起固体レーザを用いながら、反ストー
クス光が光ファイバのカットオフ波長以下にならないよ
うな波長の光を被測定光ファイバに入射させることがで
きる、光ファイバ式温度分布測定装置を提供することを
目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明による光ファイバ式温度分布測定装置で
は、LD励起固体レーザから発生したパルス光を、光フ
ァイバの一端に入射して誘導ラマン散乱を生じさせ、他
端から出射する誘導ラマン散乱光のなかから所望の波長
成分の光を取り出し、この取り出した光を、被測定光フ
ァイバの一端に入射する光として使用することが特徴と
なっている。LD励起固体レーザから閾値以上の強いパ
ルス光を入射すると、光ファイバ中に誘導ラマン散乱を
生じる。この誘導ラマン散乱光は1次、2次、3次、
…、高次のストークス光からなり、入射光波長より長波
長域に広い波長範囲で発生し、その強度は大きく、光フ
ァイバ式温度分布測定装置の光源として必要な数百mW
以上の強度となる。したがって、この誘導ラマン散乱光
のうちの所望の波長成分を取り出して被測定光ファイバ
に入射することにより、被測定光ファイバ中に生じる反
ストークス光がカットオフ波長以上になりシングルモー
ド条件を満たすようにすることができ、安定した温度測
定が可能となる。
【0008】
【実施例】以下、この発明の一実施例にかかる光ファイ
バ式温度分布測定装置について図面を参照しながら詳細
に説明する。図1において、光源としてLD励起固体レ
ーザ11と光ファイバ12とからなるファイバ・ラマン
レーザ装置1が用いられ、そこから発生したパルス光が
光減衰器2、光フィルタ4および分光デバイス3を経
て、被測定光ファイバ9に入射される。分光デバイス3
はたとえば回折格子や、誘電体多層膜を使用した光学フ
ィルタ膜などからなる。この被測定光ファイバ9で発生
したラマン後方散乱光の波長成分は分光デバイス3で分
離される。分光デバイス3より分離されたストークス光
と反ストークス光の2つの波長成分の光は、それぞれ受
光素子5およびアンプ6を経てデジタル平均化回路7に
送られる。このデジタル平均化回路7はコンピュータ8
に接続されており、相互にデータの送受を行なってい
る。デジタル平均化回路7では、LD励起固体レーザ1
1に送ったパルス光発生のためのトリガ信号を起点にし
て入力信号のサンプリングおよびA/D変換を行ない、
後方散乱光の強度についてのデータを、被測定光ファイ
バ9にパルス光を入射した時点からの各単位時間ごとに
得ており、さらにパルス光入射を繰り返したときのデー
タを加算して加算平均化処理を行なってS/N比を上げ
るようにしている。こうして得られたデータはコンピュ
ータ8に送られ、たとえば横軸をデータサンプリング時
間、縦軸をデータの大きさとして表示することにより、
被測定光ファイバ9の長さ方向各位置の測定温度が表わ
されることになる。
【0009】ファイバ・ラマンレーザ装置1の光ファイ
バ12には誘導ラマン散乱が発生する閾値以上の大きさ
の高出力パルス光が入力されている。そのため数W以上
の高出力のパルス光が必要であるので、LD励起固体レ
ーザ11を使用し、波長1.321μmのパルス光を得
ている。一般に光ファイバ中に光を入射させると入射波
長と同じ波長のレーリ散乱光と波長のシフトしたラマン
散乱光とが発生し、これらの散乱光強度は入射光強度に
比例して増加するが、ある閾値を越えたときから非線形
効果が発生し、急激にラマン散乱光強度が増大する。そ
して線形領域では観測できないほど微弱であった高次の
ストークス光も非常に大きくなる。逆にレーリ光と反ス
トークス光は、ストークス光にエネルギを奪われて強度
が大幅に低下する。
【0010】この誘導ラマン散乱光は、入射光波長より
長波長側に1次、2次、3次、…、高次ストークス光と
して発生する。入射光の波長は上記のように1.321
μmであり、1次、2次、3次、4次のストークス光の
波長はそれぞれ1.403μm、1.495μm、1.
600μm、1.721μmとなる。この誘導ラマン散
乱光は強度が大きく、ラマン後方散乱光を観測するのに
必要な数百mW以上の強度の光が幅広い波長域で得られ
る。
【0011】こうして光ファイバ12から出射されるパ
ルス光は、光フィルタ4により1次ストークス光の波長
(1.403μm)成分のみが取り出され、LD励起固
体レーザ11の発光波長成分、誘導ラマン散乱によって
光ファイバ12で発生したレーリ散乱光、2次、3次、
4次、…、高次のストークス光の波長成分はカットされ
る。また、光減衰器2によってその強度を調整され、被
測定光ファイバ9中で誘導ラマン散乱を生じる閾値以下
の大きさにされる。
【0012】被測定光ファイバ9では、波長1.403
μmのパルス光が入射させられることによりラマン散乱
が生じ、波長1.495μmのストークス光と波長1.
321μmの反ストークス光とが後方散乱光として入射
端側に戻ってきて、これらの波長成分の光が分光デバイ
ス3によって分離される。ストークス光および反ストー
クス光の波長がこのようなものであるならば、被測定光
ファイバ9におけるシングルモード条件が満たされ、伝
送損失は小さく、外乱に対して安定であるため、安定し
た精度の高い温度測定が可能となる。
【0013】
【発明の効果】以上、実施例について説明したように、
この発明の光ファイバ式温度分布測定装置によれば、シ
ングルモード光ファイバのラマン散乱によるストークス
光および反ストークス光がカットオフ波長以下にならな
いような、1.4μm以上という波長の光を被測定光フ
ァイバに入射させることができ、精度の高い温度分布測
定を安定に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例のブロック図。
【符号の説明】
1 ファイバ・ラマンレーザ装置 11 LD励起固体レーザ 12 光ファイバ 2 光減衰器 3 分光デバイス 4 光フィルタ 5 受光素子 6 アンプ 7 デジタル平均化回路 8 コンピュータ 9 被測定光ファイバ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高出力のパルス光を発生するLD励起固
    体レーザと、該パルス光が一端に入射されて誘導ラマン
    散乱を生じる光ファイバと、上記の光ファイバの他端か
    ら出射する誘導ラマン散乱光より所望の波長成分を取り
    出す光フィルタと、この光フィルタの出力光を被測定光
    ファイバの一端に入射するとともにその一端から出射す
    る被測定光ファイバのラマン後方散乱光を取り出す光学
    装置と、この取り出されたラマン後方散乱光を電気信号
    に変換する受光素子と、該電気信号をA/D変換して平
    均化処理するデジタル平均化回路とを備えることを特徴
    とする光ファイバ式温度分布測定装置。
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