JP3124184B2 - 光ファイバの温度分布測定方法 - Google Patents
光ファイバの温度分布測定方法Info
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- JP3124184B2 JP3124184B2 JP06107191A JP10719194A JP3124184B2 JP 3124184 B2 JP3124184 B2 JP 3124184B2 JP 06107191 A JP06107191 A JP 06107191A JP 10719194 A JP10719194 A JP 10719194A JP 3124184 B2 JP3124184 B2 JP 3124184B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバの長手方向
の温度分布を求める際に用いて好適な光ファイバの温度
分布測定方法に関するものである。
の温度分布を求める際に用いて好適な光ファイバの温度
分布測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、いわゆるＯＴＤＲ（Optical Time
-Domain Reflectometry）技術を活用することにより、
光ファイバを用いて長距離に渡る温度分布を測定する方
法が知られている。図３は、従来の光ファイバの温度分
布を測定する分布型温度センサの一例を示す構成図であ
り、図において、１は励起光となる高出力パルス光源、
２は分光光学ユニット、３は被測定光ファイバ、４ａ，
４ｂは受光素子、５ａ，５ｂは増幅器、６は処理装置、
７はコンピュータである。処理装置６は、Ａ／Ｄ変換器
１１、加算平均化回路１２、制御回路１３から構成され
ている。また、受光素子４ａ，４ｂとしては、アバラン
シェフォトダイオード（ＡＰＤ）が好適に用いられる。
-Domain Reflectometry）技術を活用することにより、
光ファイバを用いて長距離に渡る温度分布を測定する方
法が知られている。図３は、従来の光ファイバの温度分
布を測定する分布型温度センサの一例を示す構成図であ
り、図において、１は励起光となる高出力パルス光源、
２は分光光学ユニット、３は被測定光ファイバ、４ａ，
４ｂは受光素子、５ａ，５ｂは増幅器、６は処理装置、
７はコンピュータである。処理装置６は、Ａ／Ｄ変換器
１１、加算平均化回路１２、制御回路１３から構成され
ている。また、受光素子４ａ，４ｂとしては、アバラン
シェフォトダイオード（ＡＰＤ）が好適に用いられる。
【０００３】ここで、この分布型温度センサの原理につ
いて説明する。波長λPの光パルスを光ファイバに入射
させると、この光パルスは光ファイバ内で散乱光を発生
させながら該光ファイバ中を伝搬し、この散乱光のうち
一部は後方散乱光として該光ファイバの入射端に帰還す
る。後方散乱光は、大部分が入射光と同じ波長のレイリ
ー散乱光であるが、ごくわずかながらラマン散乱により
波長がシフトしたラマン散乱光が含まれている。ラマン
散乱光は、その強度が入射光の１〜１０億分の１、レイ
リー散乱光の１万分の１と極めて微弱な光であり、入射
光に対して波長が長波長側にシフトしたストークス光
（波長：λS）と、短波長側にシフトした反ストークス
光（波長：λAS）とがある。
いて説明する。波長λPの光パルスを光ファイバに入射
させると、この光パルスは光ファイバ内で散乱光を発生
させながら該光ファイバ中を伝搬し、この散乱光のうち
一部は後方散乱光として該光ファイバの入射端に帰還す
る。後方散乱光は、大部分が入射光と同じ波長のレイリ
ー散乱光であるが、ごくわずかながらラマン散乱により
波長がシフトしたラマン散乱光が含まれている。ラマン
散乱光は、その強度が入射光の１〜１０億分の１、レイ
リー散乱光の１万分の１と極めて微弱な光であり、入射
光に対して波長が長波長側にシフトしたストークス光
（波長：λS）と、短波長側にシフトした反ストークス
光（波長：λAS）とがある。
【０００４】ここで、ストークス光の波長λS及び反ス
トークス光の波長λASと、入射する光パルスの波長λP
との関係は、光ファイバのラマンシフト量ΔνRを用い
て下記の様に表わされる。 １／λS ＝１／λP−ΔνR ……（１） １／λAS＝１／λP＋ΔνR ……（２） このラマン散乱光は、光ファイバ中のフォノンとの相互
作用により発生するものであるから、光ファイバの温度
により強度が変化する。すなわち、ストークス光及び反
ストークス光の強度は絶対温度に依存する。したがっ
て、ストークス光と反ストークス光の強度の比を求めれ
ば、光ファイバの長手方向の温度分布を求めることがで
きる。
トークス光の波長λASと、入射する光パルスの波長λP
との関係は、光ファイバのラマンシフト量ΔνRを用い
て下記の様に表わされる。 １／λS ＝１／λP−ΔνR ……（１） １／λAS＝１／λP＋ΔνR ……（２） このラマン散乱光は、光ファイバ中のフォノンとの相互
作用により発生するものであるから、光ファイバの温度
により強度が変化する。すなわち、ストークス光及び反
ストークス光の強度は絶対温度に依存する。したがっ
て、ストークス光と反ストークス光の強度の比を求めれ
ば、光ファイバの長手方向の温度分布を求めることがで
きる。
【０００５】ここで、ストークス光の強度ＩSは、
【数１】 また、反ストークス光の強度ＩASは、
【数２】 で表わされるから、ストークス光の強度ＩSと反ストー
クス光の強度ＩASの比Ｒは、
クス光の強度ＩASの比Ｒは、
【数３】 で表わされる。ただし、ｈはプランク定数、ｃは光速
度、ｋはボルツマン定数、Δνは光ファイバのラマンシ
フト量、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。また、
度、ｋはボルツマン定数、Δνは光ファイバのラマンシ
フト量、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。また、
【数４】 である。
【０００６】次に、この分布型温度センサを用いて光フ
ァイバの長手方向の温度分布を測定する方法について説
明する。高出力パルス光源１は、制御回路１３から出力
されるトリガ信号ｔに基づき波長λPの高出力パルス光
を出射する。この高出力パルス光は、分光光学ユニット
２を通過した後、被測定光ファイバ３の入射端３ａに入
射する。該入射端３ａから出射する後方散乱光は分光光
学ユニット２に入射し、ストークス光（波長：λS）と
反ストークス光（波長：λAS）とに分離されて出射す
る。ストークス光λSは、受光素子４ａにより電気信号
に変換され、増幅器５ａにより増幅され、Ａ／Ｄ変換器
１１によりデジタル信号に変換され、加算平均化回路１
２により加算平均化処理が施されノイズ成分が低減され
る。
ァイバの長手方向の温度分布を測定する方法について説
明する。高出力パルス光源１は、制御回路１３から出力
されるトリガ信号ｔに基づき波長λPの高出力パルス光
を出射する。この高出力パルス光は、分光光学ユニット
２を通過した後、被測定光ファイバ３の入射端３ａに入
射する。該入射端３ａから出射する後方散乱光は分光光
学ユニット２に入射し、ストークス光（波長：λS）と
反ストークス光（波長：λAS）とに分離されて出射す
る。ストークス光λSは、受光素子４ａにより電気信号
に変換され、増幅器５ａにより増幅され、Ａ／Ｄ変換器
１１によりデジタル信号に変換され、加算平均化回路１
２により加算平均化処理が施されノイズ成分が低減され
る。
【０００７】一方、反ストークス光λASは、受光素子４
ｂにより電気信号に変換され、増幅器５ｂにより増幅さ
れ、Ａ／Ｄ変換器１１によりデジタル信号に変換され、
加算平均化回路１２により加算平均化処理が施されノイ
ズ成分が低減される。入射端３ａに高出力パルス光λP
を入射する毎に、ストークス光λS及び反ストークス光
λAS各々の強度を測定し、ストークス光ＯＴＤＲ波形及
び反ストークス光ＯＴＤＲ波形を求め、これらのＯＴＤ
Ｒ波形の比から被測定光ファイバ３の長手方向の温度分
布を求めている。
ｂにより電気信号に変換され、増幅器５ｂにより増幅さ
れ、Ａ／Ｄ変換器１１によりデジタル信号に変換され、
加算平均化回路１２により加算平均化処理が施されノイ
ズ成分が低減される。入射端３ａに高出力パルス光λP
を入射する毎に、ストークス光λS及び反ストークス光
λAS各々の強度を測定し、ストークス光ＯＴＤＲ波形及
び反ストークス光ＯＴＤＲ波形を求め、これらのＯＴＤ
Ｒ波形の比から被測定光ファイバ３の長手方向の温度分
布を求めている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の分布
型温度センサでは、レイリー散乱光の１万分の１と極め
て微弱なラマン散乱光を用いなければならず、感度の高
い受光素子４ａ，４ｂ及び増幅率の大きな増幅器５ａ，
５ｂが必要になるという問題点があった。しかもこのラ
マン散乱光は光ファイバの入射端から遠くへ離れれば離
れる程弱くなるので、ノイズが増加する分、温度分布の
測定精度が低下し、測定可能な距離が制限されるという
問題点があった。また、光パルスλP、ストークス光
λS、反ストークス光λAS各々の波長が異なるので、こ
の波長差による光ファイバの伝送損失を補正しなければ
ならないという問題点があった。この補正は、用いる光
ファイバが１種類であれば簡単であるが、光ファイバの
組成が異なった様な場合には困難である。
型温度センサでは、レイリー散乱光の１万分の１と極め
て微弱なラマン散乱光を用いなければならず、感度の高
い受光素子４ａ，４ｂ及び増幅率の大きな増幅器５ａ，
５ｂが必要になるという問題点があった。しかもこのラ
マン散乱光は光ファイバの入射端から遠くへ離れれば離
れる程弱くなるので、ノイズが増加する分、温度分布の
測定精度が低下し、測定可能な距離が制限されるという
問題点があった。また、光パルスλP、ストークス光
λS、反ストークス光λAS各々の波長が異なるので、こ
の波長差による光ファイバの伝送損失を補正しなければ
ならないという問題点があった。この補正は、用いる光
ファイバが１種類であれば簡単であるが、光ファイバの
組成が異なった様な場合には困難である。
【０００９】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、温度分布の測定精度が向上し、測定可
能な距離が制限されない光ファイバの温度分布測定方法
を提供することを目的としている。
たものであって、温度分布の測定精度が向上し、測定可
能な距離が制限されない光ファイバの温度分布測定方法
を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は次の様な光ファイバの温度分布測定方法を
採用した。すなわち、パルス光を被測定光ファイバに入
射し、該被測定光ファイバから出射する第１の後方レイ
リー散乱光を検知し、該第１の後方レイリー散乱光の強
度変化を求めて第１のＯＴＤＲ波形とし、次いで、前記
パルス光と前記被測定光ファイバのラマンシフト量に相
当する波長差を有する励起光とを波長多重し、該波長多
重した合波光を前記被測定光ファイバに入射し、該被測
定光ファイバから出射する第２の後方レイリー散乱光を
検知し、該第２の後方レイリー散乱光の強度変化を求め
て第２のＯＴＤＲ波形とし、該第２のＯＴＤＲ波形と第
１のＯＴＤＲ波形との差を求め、この差より被測定光フ
ァイバの長手方向のラマン増幅率分布を求め、該ラマン
増幅率分布に基づき被測定光ファイバの長手方向の温度
分布を求めることを特徴としている。
に、本発明は次の様な光ファイバの温度分布測定方法を
採用した。すなわち、パルス光を被測定光ファイバに入
射し、該被測定光ファイバから出射する第１の後方レイ
リー散乱光を検知し、該第１の後方レイリー散乱光の強
度変化を求めて第１のＯＴＤＲ波形とし、次いで、前記
パルス光と前記被測定光ファイバのラマンシフト量に相
当する波長差を有する励起光とを波長多重し、該波長多
重した合波光を前記被測定光ファイバに入射し、該被測
定光ファイバから出射する第２の後方レイリー散乱光を
検知し、該第２の後方レイリー散乱光の強度変化を求め
て第２のＯＴＤＲ波形とし、該第２のＯＴＤＲ波形と第
１のＯＴＤＲ波形との差を求め、この差より被測定光フ
ァイバの長手方向のラマン増幅率分布を求め、該ラマン
増幅率分布に基づき被測定光ファイバの長手方向の温度
分布を求めることを特徴としている。
【００１１】
【作用】本発明の光ファイバの温度分布測定方法では、
まず、パルス光を被測定光ファイバに入射させる。この
パルス光は該被測定光ファイバ内で散乱光を発生させな
がら伝搬し、この散乱光のうち一部はコヒーレンシーを
保持した第１の後方レイリー散乱光として入射端に帰還
する。そこで、該被測定光ファイバから出射する第１の
後方レイリー散乱光を検知し、該第１の後方レイリー散
乱光の強度変化を求めて線形ラマンにおける第１のＯＴ
ＤＲ波形とする。
まず、パルス光を被測定光ファイバに入射させる。この
パルス光は該被測定光ファイバ内で散乱光を発生させな
がら伝搬し、この散乱光のうち一部はコヒーレンシーを
保持した第１の後方レイリー散乱光として入射端に帰還
する。そこで、該被測定光ファイバから出射する第１の
後方レイリー散乱光を検知し、該第１の後方レイリー散
乱光の強度変化を求めて線形ラマンにおける第１のＯＴ
ＤＲ波形とする。
【００１２】次いで、前記パルス光と前記被測定光ファ
イバのラマンシフト量に相当する波長差を有する高出力
の励起光とを波長多重し、該波長多重した合波光を前記
被測定光ファイバに入射させる。すると、前記被測定光
ファイバは励起されるから、前記パルス光はラマン増幅
されて強度が増加し、増加した強度に応じて後方レイリ
ー散乱光も増加し、光ファイバの入射端に帰還する。そ
こで、該被測定光ファイバから出射する第２の後方レイ
リー散乱光を検知し、該第２の後方レイリー散乱光の強
度変化を求めて非線形ラマンにおける第２のＯＴＤＲ波
形とする。
イバのラマンシフト量に相当する波長差を有する高出力
の励起光とを波長多重し、該波長多重した合波光を前記
被測定光ファイバに入射させる。すると、前記被測定光
ファイバは励起されるから、前記パルス光はラマン増幅
されて強度が増加し、増加した強度に応じて後方レイリ
ー散乱光も増加し、光ファイバの入射端に帰還する。そ
こで、該被測定光ファイバから出射する第２の後方レイ
リー散乱光を検知し、該第２の後方レイリー散乱光の強
度変化を求めて非線形ラマンにおける第２のＯＴＤＲ波
形とする。
【００１３】次いで、該第２のＯＴＤＲ波形と第１のＯ
ＴＤＲ波形との差を求め、この差より被測定光ファイバ
の長手方向のラマン増幅率分布を求める。ラマン散乱は
物質中の原子の熱振動との相互作用により生じ、しかも
温度依存性があるから、ラマン増幅率は温度の関数とな
る。該ラマン増幅率分布に基づき被測定光ファイバの長
手方向の温度分布を求める。
ＴＤＲ波形との差を求め、この差より被測定光ファイバ
の長手方向のラマン増幅率分布を求める。ラマン散乱は
物質中の原子の熱振動との相互作用により生じ、しかも
温度依存性があるから、ラマン増幅率は温度の関数とな
る。該ラマン増幅率分布に基づき被測定光ファイバの長
手方向の温度分布を求める。
【００１４】この様に、上記の光ファイバの温度分布測
定方法では、レイリー散乱光を用いることにより、従来
のラマン散乱光を用いた場合と比べて光信号の強度が強
くなる。また、前記パルス光はラマン増幅されつつ被測
定光ファイバ中を伝搬する。したがって、高出力光源か
ら出射する光の強度を適当に設定すれば、入射端から遠
い位置でも散乱光強度が低下しない様に設定することが
可能になる。また、ラマン増幅の有無により同一波長で
ＯＴＤＲ波形を求めることにより、光ファイバの伝送損
失の波長依存性を考慮する必要がなくなる。
定方法では、レイリー散乱光を用いることにより、従来
のラマン散乱光を用いた場合と比べて光信号の強度が強
くなる。また、前記パルス光はラマン増幅されつつ被測
定光ファイバ中を伝搬する。したがって、高出力光源か
ら出射する光の強度を適当に設定すれば、入射端から遠
い位置でも散乱光強度が低下しない様に設定することが
可能になる。また、ラマン増幅の有無により同一波長で
ＯＴＤＲ波形を求めることにより、光ファイバの伝送損
失の波長依存性を考慮する必要がなくなる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の光ファイバの温度分布測定方
法の各実施例について説明する。 （実施例１）図１は、本発明の光ファイバの温度分布測
定方法を適用した分布型温度センサを示す構成図であ
る。図１において図４と同一の構成要素には同一の符号
を付してある。図において、２１は狭線幅光源、２２は
カプラ、２３は光音響光学素子、２４は無反射終端２４
ａを有するカプラ、２５はカプラ２４と被測定光ファイ
バ３との間に挿入されパルス光と励起光とを波長多重す
る光合分波器、２６はカプラ、２７はミキサ、２８は周
波数ｆ0のＲＦ発振器、２９はローパスフィルタ（ＬＰ
フィルタ）、３０はモニタを含んだ演算処理装置であ
る。
法の各実施例について説明する。 （実施例１）図１は、本発明の光ファイバの温度分布測
定方法を適用した分布型温度センサを示す構成図であ
る。図１において図４と同一の構成要素には同一の符号
を付してある。図において、２１は狭線幅光源、２２は
カプラ、２３は光音響光学素子、２４は無反射終端２４
ａを有するカプラ、２５はカプラ２４と被測定光ファイ
バ３との間に挿入されパルス光と励起光とを波長多重す
る光合分波器、２６はカプラ、２７はミキサ、２８は周
波数ｆ0のＲＦ発振器、２９はローパスフィルタ（ＬＰ
フィルタ）、３０はモニタを含んだ演算処理装置であ
る。
【００１６】狭線幅光源２１は、スペクトル線幅の狭い
波長λ0の光を出射するもので、例えば、外部共振器付
き半導体レーザ、半導体レーザ励起固体レーザ等が好適
に用いられる。カプラ２２，２４，２６は、方向性結合
器、光ミキサ等に置き換えることもできる。光音響光学
素子２３は電気光結晶等からなるもので、超音波の回折
原理による光周波数シフタの機能を有し、カプラ２２に
より分岐された一方の光をパルス化するとともにその周
波数をシフトさせ、該パルス光λfを被測定光ファイバ
３の入射端３ａに入射するものである。
波長λ0の光を出射するもので、例えば、外部共振器付
き半導体レーザ、半導体レーザ励起固体レーザ等が好適
に用いられる。カプラ２２，２４，２６は、方向性結合
器、光ミキサ等に置き換えることもできる。光音響光学
素子２３は電気光結晶等からなるもので、超音波の回折
原理による光周波数シフタの機能を有し、カプラ２２に
より分岐された一方の光をパルス化するとともにその周
波数をシフトさせ、該パルス光λfを被測定光ファイバ
３の入射端３ａに入射するものである。
【００１７】演算処理装置３０は、Ａ／Ｄ変換器１１
と、受光器４から出力されるビート信号に二乗平均化処
理を施す二乗加算回路３１と、２種類の後方散乱光各々
の強度変化を求め、これらの強度変化の差より被測定光
ファイバ３の長手方向のラマン増幅率の分布を求め、該
ラマン増幅率の分布より該光ファイバ３の長手方向の温
度分布を求めるコンピュータ７とから構成されている。
と、受光器４から出力されるビート信号に二乗平均化処
理を施す二乗加算回路３１と、２種類の後方散乱光各々
の強度変化を求め、これらの強度変化の差より被測定光
ファイバ３の長手方向のラマン増幅率の分布を求め、該
ラマン増幅率の分布より該光ファイバ３の長手方向の温
度分布を求めるコンピュータ７とから構成されている。
【００１８】また、ここでは高出力光源としてインコヒ
ーレントな高出力パルス光源１を用いているが、該高出
力光源から出射する光は、パルス光または連続光のいず
れでもよい。ただし、パルス光の場合は前記パルス光λ
fと同期を取って被測定光ファイバ３に入射させる必要
がある。この分布型温度センサは、微弱信号を効果的に
受信するために光ヘテロダイン検波を行うもので、主と
してレイリー散乱光を選択する波長特性を有している。
ーレントな高出力パルス光源１を用いているが、該高出
力光源から出射する光は、パルス光または連続光のいず
れでもよい。ただし、パルス光の場合は前記パルス光λ
fと同期を取って被測定光ファイバ３に入射させる必要
がある。この分布型温度センサは、微弱信号を効果的に
受信するために光ヘテロダイン検波を行うもので、主と
してレイリー散乱光を選択する波長特性を有している。
【００１９】次に、この分布型温度センサにより被測定
光ファイバ３の長手方向の温度分布を求める方法につい
て説明する。高出力パルス光源１から高出力パルス光λ
Pが出射されない状態で、コヒーレントな狭線幅光源２
１より出射されたスペクトル線幅の狭い波長λ0の光
は、カプラ２２により２つに分岐される。この分岐され
た一方の光は光音響光学素子２３によりパルス化され周
波数が該光音響光学素子２３の駆動周波数ｆ0だけシフ
トされたパルス光λfとなり被測定光ファイバ３の入射
端３ａに入射される。このパルス光λfは、狭線幅の光
λ0、周波数ｆ0及び光速度ｃを用いて ｃ／λf ＝ｃ／λ0＋ｆ0 ……（７） と表わされる。一方、分岐された他方の光はそのままの
状態で局発光λ0とされカプラ２６に入射される。
光ファイバ３の長手方向の温度分布を求める方法につい
て説明する。高出力パルス光源１から高出力パルス光λ
Pが出射されない状態で、コヒーレントな狭線幅光源２
１より出射されたスペクトル線幅の狭い波長λ0の光
は、カプラ２２により２つに分岐される。この分岐され
た一方の光は光音響光学素子２３によりパルス化され周
波数が該光音響光学素子２３の駆動周波数ｆ0だけシフ
トされたパルス光λfとなり被測定光ファイバ３の入射
端３ａに入射される。このパルス光λfは、狭線幅の光
λ0、周波数ｆ0及び光速度ｃを用いて ｃ／λf ＝ｃ／λ0＋ｆ0 ……（７） と表わされる。一方、分岐された他方の光はそのままの
状態で局発光λ0とされカプラ２６に入射される。
【００２０】被測定光ファイバ３に入射されたパルス光
λfは、該被測定光ファイバ３内で散乱光を発生させな
がら伝搬し、この散乱光のうちの一部がコヒーレンシー
を保持した後方レイリー散乱光となって入射端３ａから
信号光λSとして出射され、カプラ２６により局発光λ0
と合波される。受光素子４により該カプラ２６から出射
する光を受光し信号光λSと局発光λ0との周波数差ｆ0
に相当するビート信号を出力する。演算処理装置３０で
は、該ビート信号に時間的な二乗平均化処理を施し、信
号光λSの強度変化、すなわちラマン増幅されない信号
光λSの第１のＯＴＤＲ波形を求める。
λfは、該被測定光ファイバ３内で散乱光を発生させな
がら伝搬し、この散乱光のうちの一部がコヒーレンシー
を保持した後方レイリー散乱光となって入射端３ａから
信号光λSとして出射され、カプラ２６により局発光λ0
と合波される。受光素子４により該カプラ２６から出射
する光を受光し信号光λSと局発光λ0との周波数差ｆ0
に相当するビート信号を出力する。演算処理装置３０で
は、該ビート信号に時間的な二乗平均化処理を施し、信
号光λSの強度変化、すなわちラマン増幅されない信号
光λSの第１のＯＴＤＲ波形を求める。
【００２１】次に、高出力パルス光源１から被測定光フ
ァイバ３のラマンシフト量ΔνRに相当する波長差を有
する高出力パルス光λPを励起光として出射させて、光
合分波器２５によりパルス光λfと該高出力パルス光λP
とを合波し、該合波光を前記入射端３ａに入射させる。
このラマンシフト量ΔνRは、高出力パルス光λPと狭線
幅の光λ0とを用いて、 ΔνR＝｜（１／λP）−（１／λ0）｜ ……（８） と、表わされる。
ァイバ３のラマンシフト量ΔνRに相当する波長差を有
する高出力パルス光λPを励起光として出射させて、光
合分波器２５によりパルス光λfと該高出力パルス光λP
とを合波し、該合波光を前記入射端３ａに入射させる。
このラマンシフト量ΔνRは、高出力パルス光λPと狭線
幅の光λ0とを用いて、 ΔνR＝｜（１／λP）−（１／λ0）｜ ……（８） と、表わされる。
【００２２】パルス光λfは被測定光ファイバ３内でラ
マン増幅されて強度が増加し、増加した強度に応じて後
方レイリー散乱光も増加する。この後方レイリー散乱光
は入射端３ａから信号光λSSとして出射され、カプラ２
６により局発光λ0と合波される。該合波光は、受光素
子４により信号光λSSと局発光λ0との周波数差ｆ0に相
当するビート信号を出力する。演算処理装置３０では、
該ビート信号に二乗平均化処理を施し、信号光λSSの強
度変化、すなわちラマン増幅された信号光λSSの第２の
ＯＴＤＲ波形を求める。
マン増幅されて強度が増加し、増加した強度に応じて後
方レイリー散乱光も増加する。この後方レイリー散乱光
は入射端３ａから信号光λSSとして出射され、カプラ２
６により局発光λ0と合波される。該合波光は、受光素
子４により信号光λSSと局発光λ0との周波数差ｆ0に相
当するビート信号を出力する。演算処理装置３０では、
該ビート信号に二乗平均化処理を施し、信号光λSSの強
度変化、すなわちラマン増幅された信号光λSSの第２の
ＯＴＤＲ波形を求める。
【００２３】次に、演算処理装置３０により、ラマン増
幅されない信号光λSのＯＴＤＲ波形とラマン増幅され
た信号光λSSのＯＴＤＲ波形との強度差を求め、この差
より被測定光ファイバ３の長手方向のラマン増幅率（利
得）の分布を求める。このラマン増幅率は温度に依存す
るので、該ラマン増幅率の分布より光ファイバ３の長手
方向の温度分布を求めることができる。
幅されない信号光λSのＯＴＤＲ波形とラマン増幅され
た信号光λSSのＯＴＤＲ波形との強度差を求め、この差
より被測定光ファイバ３の長手方向のラマン増幅率（利
得）の分布を求める。このラマン増幅率は温度に依存す
るので、該ラマン増幅率の分布より光ファイバ３の長手
方向の温度分布を求めることができる。
【００２４】以上説明した様に、この実施例１の分布型
温度センサは、狭線幅光源２１と、カプラ２２，２４，
２６と、光音響光学素子２３と、光合分波器２５と、高
出力パルス光源１と、受光素子４と、演算処理装置３０
とを備え、光ヘテロダイン検波を行うので、レイリー散
乱光を波形測定に用いることができ、従来のラマン散乱
光を用いた場合と比べて強い光信号を得ることができ
る。また、パルス光λfはラマン増幅されつつ被測定光
ファイバ３中を伝搬するので、高出力パルス光源１から
出射する高出力パルス光λPの強度を調整し、ラマン増
幅率を適当に設定すれば、入射端３ａから遠い位置でも
散乱光強度が低下しない様に設定することができる。ま
た、ラマン増幅の有無により同一波長でＯＴＤＲ波形を
求めることができるので、光ファイバ３の伝送損失の波
長依存性を考慮する必要がない等の優れた効果を奏する
ことができる。
温度センサは、狭線幅光源２１と、カプラ２２，２４，
２６と、光音響光学素子２３と、光合分波器２５と、高
出力パルス光源１と、受光素子４と、演算処理装置３０
とを備え、光ヘテロダイン検波を行うので、レイリー散
乱光を波形測定に用いることができ、従来のラマン散乱
光を用いた場合と比べて強い光信号を得ることができ
る。また、パルス光λfはラマン増幅されつつ被測定光
ファイバ３中を伝搬するので、高出力パルス光源１から
出射する高出力パルス光λPの強度を調整し、ラマン増
幅率を適当に設定すれば、入射端３ａから遠い位置でも
散乱光強度が低下しない様に設定することができる。ま
た、ラマン増幅の有無により同一波長でＯＴＤＲ波形を
求めることができるので、光ファイバ３の伝送損失の波
長依存性を考慮する必要がない等の優れた効果を奏する
ことができる。
【００２５】（実施例２）図２は、本発明の光ファイバ
の温度分布測定方法を適用した分布型温度センサの他の
一例を示す概略構成図である。この分布型温度センサの
特徴は、励起用光源に連続光を出力する光源を用いたこ
とである。また、図２において図１及び図４と同一の構
成要素には同一の符号を付してある。図において、４１
は波長λpのパルス光を出射するパルス光源（該パルス
光源の詳細は第１実施例に従う）、４２は光カプラ、光
スイッチ等からなる光方向性結合器、４３は波長λCWの
連続光を出射する励起用光源である。励起用光源４３
は、波長λCWの連続光を出射するもので、例えば、分布
帰還型半導体レーザ等が好適に用いられる。
の温度分布測定方法を適用した分布型温度センサの他の
一例を示す概略構成図である。この分布型温度センサの
特徴は、励起用光源に連続光を出力する光源を用いたこ
とである。また、図２において図１及び図４と同一の構
成要素には同一の符号を付してある。図において、４１
は波長λpのパルス光を出射するパルス光源（該パルス
光源の詳細は第１実施例に従う）、４２は光カプラ、光
スイッチ等からなる光方向性結合器、４３は波長λCWの
連続光を出射する励起用光源である。励起用光源４３
は、波長λCWの連続光を出射するもので、例えば、分布
帰還型半導体レーザ等が好適に用いられる。
【００２６】次に、この分布型温度センサにより被測定
光ファイバ３の長手方向の温度分布を求める方法につい
て説明する。パルス光源４１より出射された波長λPの
パルス光は、光方向性結合器４２を経由して被測定光フ
ァイバ３の入射端３ａに入射される。被測定光ファイバ
３に入射されたパルス光λPは、該被測定光ファイバ３
内で散乱光を発生させながら伝搬し、この散乱光のうち
の一部がコヒーレンシーを保持した後方レイリー散乱光
となって入射端３ａから信号光λSとして出射され、光
方向性結合器４２を経由して受光素子４により受光され
電気信号に変換される。該電気信号は増幅器５で増幅さ
れた後に、加算平均化回路１２で時間的な単純加算処理
が施され、信号光λSの強度変化、すなわちラマン増幅
されない信号光λSのＯＴＤＲ波形を求める。
光ファイバ３の長手方向の温度分布を求める方法につい
て説明する。パルス光源４１より出射された波長λPの
パルス光は、光方向性結合器４２を経由して被測定光フ
ァイバ３の入射端３ａに入射される。被測定光ファイバ
３に入射されたパルス光λPは、該被測定光ファイバ３
内で散乱光を発生させながら伝搬し、この散乱光のうち
の一部がコヒーレンシーを保持した後方レイリー散乱光
となって入射端３ａから信号光λSとして出射され、光
方向性結合器４２を経由して受光素子４により受光され
電気信号に変換される。該電気信号は増幅器５で増幅さ
れた後に、加算平均化回路１２で時間的な単純加算処理
が施され、信号光λSの強度変化、すなわちラマン増幅
されない信号光λSのＯＴＤＲ波形を求める。
【００２７】次に、励起用光源４３から被測定光ファイ
バ３のラマンシフト量ΔνRに相当する波長差を有する
高強度の連続光λCWを出射させて、光合分波器２５によ
り前記パルス光λPと該連続光λCWとを合波し、該合波
光を前記入射端３ａに入射させる。このラマンシフト量
ΔνRは、パルス光λPと連続光λCWとを用いて、 ΔνR＝｜（１／λP）−（１／λCW）｜ ……（９） と表わされる。被測定光ファイバ３は励起されているか
ら、前記パルス光λPは該被測定光ファイバ３内でラマ
ン増幅されて強度が増加し、増加した強度に応じて後方
レイリー散乱光も増加する。この後方レイリー散乱光は
入射端３ａから信号光λSSとして出射され、光合分波器
２５、光方向性結合器４２を経由して受光素子４により
受光され電気信号に変換される。加算平均化回路１２で
は、該電気信号に単純加算処理を施し、信号光λSSの強
度変化、すなわちラマン増幅された信号光λSSのＯＴＤ
Ｒ波形を求める。上記光学系が主としてレイリー散乱光
の選択性を有することは勿論である。
バ３のラマンシフト量ΔνRに相当する波長差を有する
高強度の連続光λCWを出射させて、光合分波器２５によ
り前記パルス光λPと該連続光λCWとを合波し、該合波
光を前記入射端３ａに入射させる。このラマンシフト量
ΔνRは、パルス光λPと連続光λCWとを用いて、 ΔνR＝｜（１／λP）−（１／λCW）｜ ……（９） と表わされる。被測定光ファイバ３は励起されているか
ら、前記パルス光λPは該被測定光ファイバ３内でラマ
ン増幅されて強度が増加し、増加した強度に応じて後方
レイリー散乱光も増加する。この後方レイリー散乱光は
入射端３ａから信号光λSSとして出射され、光合分波器
２５、光方向性結合器４２を経由して受光素子４により
受光され電気信号に変換される。加算平均化回路１２で
は、該電気信号に単純加算処理を施し、信号光λSSの強
度変化、すなわちラマン増幅された信号光λSSのＯＴＤ
Ｒ波形を求める。上記光学系が主としてレイリー散乱光
の選択性を有することは勿論である。
【００２８】次に、演算処理装置３０により、ラマン増
幅されない信号光λSのＯＴＤＲ波形とラマン増幅され
た信号光λSSのＯＴＤＲ波形との差を求め、この差より
被測定光ファイバ３の長手方向のラマン増幅率の分布を
求める。このラマン増幅率は温度に依存するので、該ラ
マン増幅率の分布より光ファイバ３の長手方向の温度分
布を求めることができる。
幅されない信号光λSのＯＴＤＲ波形とラマン増幅され
た信号光λSSのＯＴＤＲ波形との差を求め、この差より
被測定光ファイバ３の長手方向のラマン増幅率の分布を
求める。このラマン増幅率は温度に依存するので、該ラ
マン増幅率の分布より光ファイバ３の長手方向の温度分
布を求めることができる。
【００２９】この実施例２の分布型温度センサにおいて
も、上記実施例１の分布型温度センサと同様の作用・効
果を奏することができる。また、上記実施例１の分布型
温度センサでは、高出力パルス光源１と狭線幅光源２１
とをタイミング同期し、ラマン増幅した後方レイリー散
乱光と励起パルス光により発生するラマン散乱光とを区
別する必要があるが、この実施例２の分布型温度センサ
では、パルス光λPがコヒーレント光であり、連続光λ
CWがインコヒーレント光であるから、受光素子４でコヒ
ーレント検波（光ヘテロダイン）を行うことにより両者
を区別することができる。また、レイリー散乱光は強度
が比較的強いために、微弱信号を対象とした光ヘテロダ
イン検波を用いずに、本実施例２の直接検波によっても
良好な信頼度を得ることが出来るものである。
も、上記実施例１の分布型温度センサと同様の作用・効
果を奏することができる。また、上記実施例１の分布型
温度センサでは、高出力パルス光源１と狭線幅光源２１
とをタイミング同期し、ラマン増幅した後方レイリー散
乱光と励起パルス光により発生するラマン散乱光とを区
別する必要があるが、この実施例２の分布型温度センサ
では、パルス光λPがコヒーレント光であり、連続光λ
CWがインコヒーレント光であるから、受光素子４でコヒ
ーレント検波（光ヘテロダイン）を行うことにより両者
を区別することができる。また、レイリー散乱光は強度
が比較的強いために、微弱信号を対象とした光ヘテロダ
イン検波を用いずに、本実施例２の直接検波によっても
良好な信頼度を得ることが出来るものである。
【００３０】なお、現在、一般的にはＧｅがドープされ
た石英光ファイバが用いられており、この光ファイバの
ラマンシフト量（ΔνR）は４２０ｃｍ-1である。ここ
で、励起用光源として、Ｅｒドープ光ファイバアンプ
（ＥＤＦＡ）を用いた場合では、励起用光源波長は１．
５５μｍ、パルス光源波長は１．６６μｍとなり、ＬＤ
励起固体レーザ（Ｎｄ：ＹＬＦ等）を用いた場合では、
励起用光源波長は１．３２μｍ、パルス光源波長は１．
４０μｍとなる。
た石英光ファイバが用いられており、この光ファイバの
ラマンシフト量（ΔνR）は４２０ｃｍ-1である。ここ
で、励起用光源として、Ｅｒドープ光ファイバアンプ
（ＥＤＦＡ）を用いた場合では、励起用光源波長は１．
５５μｍ、パルス光源波長は１．６６μｍとなり、ＬＤ
励起固体レーザ（Ｎｄ：ＹＬＦ等）を用いた場合では、
励起用光源波長は１．３２μｍ、パルス光源波長は１．
４０μｍとなる。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光ファイ
バの温度分布測定方法によれば、パルス光を被測定光フ
ァイバに入射し、該被測定光ファイバから出射する第１
の後方レイリー散乱光を検知し、該第１の後方レイリー
散乱光の強度変化を求めて第１のＯＴＤＲ波形とし、次
いで、前記パルス光と前記被測定光ファイバのラマンシ
フト量に相当する波長差を有する励起光とを波長多重
し、該波長多重した合波光を前記被測定光ファイバに入
射し、該被測定光ファイバから出射する第２の後方レイ
リー散乱光を検知し、該第２の後方レイリー散乱光の強
度変化を求めて第２のＯＴＤＲ波形とし、該第２のＯＴ
ＤＲ波形と第１のＯＴＤＲ波形との差を求め、この差よ
り被測定光ファイバの長手方向のラマン増幅率分布を求
め、該ラマン増幅率分布に基づき被測定光ファイバの長
手方向の温度分布を求めることとしたので、レイリー散
乱光を用いることができ、従来のラマン散乱光を用いた
場合と比べて強い光信号を得ることができる。
バの温度分布測定方法によれば、パルス光を被測定光フ
ァイバに入射し、該被測定光ファイバから出射する第１
の後方レイリー散乱光を検知し、該第１の後方レイリー
散乱光の強度変化を求めて第１のＯＴＤＲ波形とし、次
いで、前記パルス光と前記被測定光ファイバのラマンシ
フト量に相当する波長差を有する励起光とを波長多重
し、該波長多重した合波光を前記被測定光ファイバに入
射し、該被測定光ファイバから出射する第２の後方レイ
リー散乱光を検知し、該第２の後方レイリー散乱光の強
度変化を求めて第２のＯＴＤＲ波形とし、該第２のＯＴ
ＤＲ波形と第１のＯＴＤＲ波形との差を求め、この差よ
り被測定光ファイバの長手方向のラマン増幅率分布を求
め、該ラマン増幅率分布に基づき被測定光ファイバの長
手方向の温度分布を求めることとしたので、レイリー散
乱光を用いることができ、従来のラマン散乱光を用いた
場合と比べて強い光信号を得ることができる。
【００３２】また、パルス光はラマン増幅されつつ被測
定光ファイバ中を伝搬するので、高出力光源から出射す
る高出力光の強度を適当に設定すれば、入射端から遠い
被測定光ファイバ中の位置でも散乱光強度が低下しない
様に設定することができる。また、ラマン増幅の有無に
より同一波長でＯＴＤＲ波形を求めることができるの
で、光ファイバの伝送損失の波長依存性を考慮する必要
がない等の優れた効果を奏することができる。
定光ファイバ中を伝搬するので、高出力光源から出射す
る高出力光の強度を適当に設定すれば、入射端から遠い
被測定光ファイバ中の位置でも散乱光強度が低下しない
様に設定することができる。また、ラマン増幅の有無に
より同一波長でＯＴＤＲ波形を求めることができるの
で、光ファイバの伝送損失の波長依存性を考慮する必要
がない等の優れた効果を奏することができる。
【図１】 本発明の実施例１に係る光ファイバの温度分
布測定方法を適用した分布型温度センサを示す構成図で
ある。
布測定方法を適用した分布型温度センサを示す構成図で
ある。
【図２】 本発明の実施例２に係る光ファイバの温度分
布測定方法を適用した分布型温度センサを示す構成図で
ある。
布測定方法を適用した分布型温度センサを示す構成図で
ある。
【図３】 従来の分布型温度センサを示す構成図であ
る。
る。
１…高出力パルス光源、３…被測定光ファイバ、４…受
光素子、５…増幅器、２１…狭線幅光源、２２…カプラ
（光分岐手段）、２３…光音響光学素子、２４…カプ
ラ、２５…光合分波器（波長多重合波手段）、２６…カ
プラ（光結合手段）、２７…ミキサ、２８…ＲＦ発振
器、２９…ローパスフィルタ（ＬＰフィルタ）、３０…
演算処理装置、３１…二乗加算回路、４１…パルス光
源、４２…光方向性結合器、４３…励起用光源。
光素子、５…増幅器、２１…狭線幅光源、２２…カプラ
（光分岐手段）、２３…光音響光学素子、２４…カプ
ラ、２５…光合分波器（波長多重合波手段）、２６…カ
プラ（光結合手段）、２７…ミキサ、２８…ＲＦ発振
器、２９…ローパスフィルタ（ＬＰフィルタ）、３０…
演算処理装置、３１…二乗加算回路、４１…パルス光
源、４２…光方向性結合器、４３…励起用光源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀口 常雄 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−123661（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−180256（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01K 11/12
Claims (1)
- 【請求項１】 パルス光を被測定光ファイバに入射し、
該被測定光ファイバから出射する第１の後方レイリー散
乱光を検知し、該第１の後方レイリー散乱光の強度変化
を求めて第１のＯＴＤＲ波形とし、 次いで、前記パルス光と前記被測定光ファイバのラマン
シフト量に相当する波長差を有する励起光とを波長多重
し、該波長多重した合波光を前記被測定光ファイバに入
射し、該被測定光ファイバから出射する第２の後方レイ
リー散乱光を検知し、該第２の後方レイリー散乱光の強
度変化を求めて第２のＯＴＤＲ波形とし、 該第２のＯＴＤＲ波形と第１のＯＴＤＲ波形との差を求
め、この差より被測定光ファイバの長手方向のラマン増
幅率分布を求め、該ラマン増幅率分布に基づき被測定光
ファイバの長手方向の温度分布を求めることを特徴とす
る光ファイバの温度分布測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06107191A JP3124184B2 (ja) | 1994-05-20 | 1994-05-20 | 光ファイバの温度分布測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06107191A JP3124184B2 (ja) | 1994-05-20 | 1994-05-20 | 光ファイバの温度分布測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07311120A JPH07311120A (ja) | 1995-11-28 |
| JP3124184B2 true JP3124184B2 (ja) | 2001-01-15 |
Family
ID=14452786
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06107191A Expired - Fee Related JP3124184B2 (ja) | 1994-05-20 | 1994-05-20 | 光ファイバの温度分布測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3124184B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| EP1302006B1 (en) | 2000-07-10 | 2005-12-21 | MPB Technologies Inc. | Cascaded pumping system for distributed raman amplification in optical fiber telecommunication systems |
| JP3587176B2 (ja) * | 2001-04-02 | 2004-11-10 | 日本電気株式会社 | ラマン増幅器及びラマン増幅方法 |
| JP3578343B2 (ja) | 2001-10-31 | 2004-10-20 | 日本電気株式会社 | 光ファイバ伝送システム、ラマン利得効率測定装置及びラマン利得効率測定方法 |
| KR100492193B1 (ko) * | 2002-03-18 | 2005-05-30 | 주식회사 럭스퍼트 | Ｏｔｄｒ |
| JP2006308541A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-11-09 | Occ Corp | 温度分布測定方法及び温度分布測定装置 |
-
1994
- 1994-05-20 JP JP06107191A patent/JP3124184B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07311120A (ja) | 1995-11-28 |
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