JP6206348B2 - 光ファイバ温度分布測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバをセンサとして用いる後方ラマン散乱光を利用した光ファイバ温度分布測定装置に関し、詳しくは、温度補正の改善に関する。

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、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。

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。

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。

図６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６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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図７は図６のように構成された温度が既知の光ファイバを用いたＤＴＳによる温度分布測定例図であり、−４０℃〜＋８０℃の温度測定例を示している。光ファイバの損失校正は光ファイバ温度が２０℃の状態で行い、異なる７種類の温度分布測定値を同じグラフ上に示している。図７において、光ファイバの各温度は長さ方向には一定であり、図７では各温度の温度分布は水平に見える。

特開２００８−２４９５１５号公報

図８は、図７の縦軸を拡大した温度分布測定例図である。縦軸を拡大すると、図８に示すように温度分布測定結果を表すグラフは距離の変化に対して平坦ではなく、光ファイバの温度に応じて温度分布波形の傾きが変動していることが明らかである。なお、図８では、各温度毎の温度変動を見やすくするために距離０ｍ点の温度が０℃になるようにオフセットを設けて表示している。また、図の波形の緩やかなうねりは実際の温度分布であり、細かな変動はＤＴＳの雑音である。

ＤＴＳの性能が向上するに従い、光ファイバの温度による温度分布波形の傾き変動も測定されることから、温度校正済みの光ファイバを用いても光ファイバの距離（位置）に応じた正確な温度が測定できないことになる。

従来の温度校正（光ファイバの損失校正）は、任意の光ファイバ温度で損失校正を行うだけである。図８の例の場合、温度分布が平坦ではないとはいうものの、光ファイバ長５００ｍで高々０．２℃程度の測定誤差であり、以下の理由から課題は潜在化したままである。
ａ）ＤＴＳの測定精度が悪く０．２℃の温度測定誤差が見えなかった。
ｂ）ＤＴＳの測定距離が短く温度分布が正確でなくても温度測定誤差が大きくならなかった。

しかしながら、ＤＴＳの雑音低減に伴って温度測定精度が向上したことにより、温度測定値にわずかな誤差があっても測定性能に大きく影響することになる。

さらに、図８の特性図から明らかなように、均一な温度を測定しているのにもかかわらず温度分布波形が平坦ではなく傾きを有することから、光ファイバ長が長くなると温度測定誤差が大きくなってしまう。たとえば図８の例では、５００ｍ地点の温度測定誤差は０．２℃であるが、光ファイバ長が５０ｋｍの地点では１００倍の２０℃になることが予測でき、温度測定精度が極めて悪くなる。

本発明はこれらの課題を解決するもので、その目的は、光ファイバの温度による損失の変化を補正するとともに、未知の温度分布についても高精度で測定できる光ファイバ温度分布測定装置を提供することにある。

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、
ストークス光とアンチストークス光との損失差の温度依存性を補正する損失差温度依存性補正手段を設け、
前記損失差温度依存性補正手段は、
任意の光ファイバ温度で温度校正を行う光ファイバ損失校正値が格納されている光ファイバ損失校正値格納部と、
この光ファイバ損失校正値格納部に格納されているパラメータに基づいて前記光ファイバに沿った温度分布を演算する温度補正演算部と、
その温度補正演算部の演算結果を格納する演算温度格納部と、
前記光ファイバの温度校正を行った光ファイバ温度の値が格納されている光ファイバ損失校正温度格納部と、
使用する前記光ファイバの損失値の温度特性が格納されている光ファイバ損失温度特性格納部と、
前記演算温度格納部に格納されている温度分布値と、前記光ファイバ損失校正温度格納部に格納されているパラメータおよび前記光ファイバ損失温度特性格納部に格納されているパラメータを用いて温度補正演算を行う損失補正値演算部、
を有することを特徴とする。

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、
前記損失差温度依存性補正手段は、前記光ファイバの温度校正を行った光ファイバ温度を格納する手段を含むことを特徴とする。

請求項３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、
前記損失差温度依存性補正手段は、代表的な光ファイバの損失温度特性を予め初期値として格納する手段を含むことを特徴とする。

本発明によれば、温度校正処理を簡略化するとともに、高精度の温度補正が行える光ファイバ温度分布測定装置を提供できる。

光ファイバの温度による損失特性例図である。 本発明の一実施例を示すブロック図である。 温度補正部７１の具体例を示すブロック図である。 本発明に基づく図２および図３の動作の流れを示すフローチャートである。 本発明に基づくＤＴＳによる温度分布測定例図である。 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６のように構成された温度が既知の光ファイバを用いたＤＴＳによる温度分布測定例図である。 図７の縦軸を拡大した温度分布測定例図である。

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、光ファイバの温度による損失特性例図である。図１において、実線Ａは各温度毎の光ファイバ損失の実測例であり、ＤＴＳの雑音も含まれている。破線Ｂは実線Ａを最小二乗近似した直線であり、ＤＴＳの雑音を減らした光ファイバの温度による損失特性例を示している。光ファイバの温度が既知であれば図１から簡単に温度補正をすることができるが、ＤＴＳでは未知の温度分布を測定するので温度補正は容易ではない。

図２は、本発明の一実施例の主要部を示すブロック図である。図２において、演算制御部７には、温度補正部７１が組み込まれている。なお、この温度補正部７１は、必要に応じて演算制御部７とは個別に独立した機能ブロックとして設けてもよい。

図３は、温度補正部７１の具体例を示すブロック図である。図３において、温度補正演算部７１ａは、あらかじめ光ファイバ損失校正値格納部７１ｂに格納されているパラメータに基づいて光ファイバ３に沿った温度分布を演算し、その演算結果を演算温度格納部７１ｃに格納する。

光ファイバ損失校正温度格納部７１ｄには、従来から行われている測定方法に基づいて光ファイバ３の損失補正値を求めた時点における光ファイバ温度の値が格納されている。

光ファイバ損失温度特性格納部７１ｅには、使用する光ファイバ３の損失値の温度特性が格納されている。

損失補正値演算部７１ｆは、演算温度格納部７１ｃに格納されている温度分布値と、光ファイバ損失校正温度格納部７１ｄに格納されているパラメータおよび光ファイバ損失温度特性格納部７１ｅに格納されているパラメータを用いて温度補正演算を行う。

図４は、本発明に基づく図２および図３の動作の流れを示すフローチャートである。はじめに、従来と同様の方法により光ファイバ３に沿った温度分布の測定を行って温度分布を求め（ステップＳ１）、次に測定した温度分布の補正演算を行う（ステップＳ２）。

温度分布の補正演算を以下に示す。
T=[-(1/T’-a*A*L*T₀)+√｛(1/T’-a*A*L*T₀)^2+4*a*A*L}]/（2* a*A*L） （１）
T；光ファイバ３の距離Lにおける温度補正後の温度（実際の温度）[K]
T’;光ファイバ３の距離Lにおける従来からのDTSによる温度測定値[K]
a;温度補正演算の定数[dB/km/℃²]
A；定数、k/（10＊C＊ν＊log（e））
k；ボルツマン定数
C；光速
ν；シフト波数
e；自然対数の底
L;光ファイバ３の距離長[km]
T₀；光ファイバ３の温度校正を行った（損失補正値を求めた）温度[K]

ＤＴＳの温度演算は、（２）式で示される。
1/T=1/Tref-A（R（T)-Rref） （２）
T；測定対象の実温度[K]
Tref；温度基準部温度[K]
R（T）；測定対象のST光とAS光の比[dB]
Rref；温度基準部のST光とAS光の比[dB]
A ；定数、k/（10＊C＊ν＊log（e））

従来のＤＴＳでは、ストークス光ＳＴとアンチストークス光ＡＴの損失差を単なる光ファイバの損失補正としていたが、図８に示したように光ファイバ３の損失は光ファイバ３の温度によって異なることから、ストークス光ＳＴとアンチストークス光ＡＴの損失差も光ファイバ３の温度により異なると考えられる。

ストークス光ＳＴとアンチストークス光ＡＴとの損失差の温度依存性α[dB/km/℃]を、
α=（a＊T+b）
と直線近似した場合の距離L[km]と温度T[K]をパラメータとする損失差Loss（T,L）は、
Loss（T,L）=（a＊T+b）＊L[dB] （３）
となる。ここでa,bは定数である。

ＤＴＳの測定温度T’[K]は、（２）式および（３）式により、
1/T’=1/Tref-A（R（T)+Loss（T,L)-Rref） （４）
と表すことができる。

あらかじめT₀[K]で温度校正（光ファイバの損失補正）した場合には、
1/T’=1/Tref-A（R（T)+Loss（T,L)-Loss（T₀,L）-Rref） （５）
1/T=1/Tref-A（R（T)-Rref） （６）
となる。

そして、（５）式から（６）式を引くと、（７）式になる。
1/T’-1/T=A（-Loss（T）+Loss（T₀）=A（-a＊T＊L+a＊T₀＊L） （７）
となる。

（７）式を変形すると、
a＊A＊L＊T^2+（1/T’-a＊A＊L＊T₀）＊T-1=0 （８）
となるので、（８）式を解いてTを求めれば（１）式が得られる。
この（８）式は２次式なので解が２個得られるが、（１）式の実数解を用いる。

なお、（１）式は計算が複雑になるので、以下に示す簡易式で近似値を求めてもよい。
T=T’-1/（(1/T’)+A*（Loss(T’,L)+ΔLoss))） （９）
ΔLoss；従来のＤＴＳによる光ファイバ３の損失補正値（ストークス光ＳＴとアンチストークス光ＡＴとの損失差）

図５は本発明に基づくＤＴＳによる温度分布測定例図であり、図８と同様に縦軸を拡大して示したものである。図５の温度分布測定波形（変化量）から明らかなように、図８に示した従来のＤＴＳによる温度分布波形の温度変動が０．２℃であったのに対し、本発明に基づくＤＴＳによる温度分布波形の温度変動は０．０５℃に改善されている。

なお、上記実施例では、ラマン散乱光の強度比を用いるタイムドメイン方式の装置の例について説明したが、本発明は周波数掃引方式の装置にも適用できるものである。

以上説明したように、本発明によれば、温度校正処理を簡略化できるとともに、光ファイバ３における損失を的確に把握することにより高精度の温度補正が行える光ファイバ温度分布測定装置が実現できる。

１ 光源
２ 光分波器
３ 光ファイバ
４st，４as Ｏ／Ｅ変換器
６st，６as Ａ／Ｄ変換器
７ 演算制御部
７１ 温度補正部
７１ａ 温度補正演算部
７１ｂ 光ファイバ損失校正値格納部
７１ｃ 演算温度格納部
７１ｄ 光ファイバ損失校正温度格納部
７１ｅ 光ファイバ損失温度特性格納部
７１ｆ 損失補正値演算部
８ パルス発生部

Claims (3)

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、
   ストークス光とアンチストークス光との損失差の温度依存性を補正する損失差温度依存性補正手段を設け、
   前記損失差温度依存性補正手段は、
   任意の光ファイバ温度で温度校正を行う光ファイバ損失校正値が格納されている光ファイバ損失校正値格納部と、
   この光ファイバ損失校正値格納部に格納されているパラメータに基づいて前記光ファイバに沿った温度分布を演算する温度補正演算部と、
   その温度補正演算部の演算結果を格納する演算温度格納部と、
   前記光ファイバの温度校正を行った光ファイバ温度の値が格納されている光ファイバ損失校正温度格納部と、
   使用する前記光ファイバの損失値の温度特性が格納されている光ファイバ損失温度特性格納部と、
   前記演算温度格納部に格納されている温度分布値と、前記光ファイバ損失校正温度格納部に格納されているパラメータおよび前記光ファイバ損失温度特性格納部に格納されているパラメータを用いて温度補正演算を行う損失補正値演算部、
   を有することを特徴とする光ファイバ温度分布測定装置。
2. 前記損失差温度依存性補正手段は、前記光ファイバの温度校正を行った光ファイバ温度を格納する手段を含む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。
3. 前記損失差温度依存性補正手段は、代表的な光ファイバの損失温度特性を予め初期値として格納する手段を含む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。