JPH04181131A - 光ファイバ式分布形温度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明はラマン散乱光を利用した光ファイバ式分布形温
度センサに関するものである。

［従来の技術］ ラマン散乱光を利用した光ファイバ式分布形温度センサ
は、次のようにして光ファイバに沿った線状の温度分布
を測定する装置である。まず、第２７図の如く、センサ
用光ファイバの一端から波長λ０．パルス幅Ｔｗ、パル
ス周期Ｔｐの光を入射させる。そして、光フアイバ内で
発生するラマン散乱光の二成分である波長λＳのストー
クス光と、波長λａＳのアンチストークス光の後方散乱
光（反射光）とを、パルス光入射時刻を１＝０として、
それぞれ第２８図に示すサンプリング時間間隔Ｔｓで計
測する。次に、アンチストークス光やストークス光の強
度の時間関数Ｉ　ａ（ｔ）　、　　Ｉ　ｓ　（ｔ）をサ
ンプリング時間間隔Ｔｓの関数として求め、これらの比
１ａ（↑）／Ｉ　ｓ　（ｔ）が純粋に温度の関数である
こと、及び光パルス入射後、光フアイバ内の距離Ｘの位
置で発生した反射光が光パルス入射端（反射光光計測部
）に戻ってくるまでの時間が２ＸＸ／Ｃｏであること（
ＣＯ；光フアイバ中の光速）を利用して、光ファイバに
沿った線状の温度分布測定を行う。なお、反射光が計測
される時間幅Ｔｒ（第２８図）は２　Ｘ　Ｌ　／　Ｃｏ
であり（Ｌ：光ファイバ長さ）、この時間Ｔｒ内の計測
値が有効な温度分布情報を与える。ストークス光及びア
ンチストークス光の後方散乱光測定は、光ファイバの破
断点検知等に用いる０ＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ　ｔｉＩ
Ｉｅ　Ｄｏｎａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｎｅｔｒｙ）装
置とほぼ同じ測定方法で行う。

このラマン散乱光利用先ファイバ式分布形温度センサは
、例えば電カケープルに沿わせてセンサ用光ファイバを
敷設することにより、電カケープルの長手方向の温度分
布を知ることができ、送電容量の制御等に利用したり、
ゲーブルの劣化等により生じる部分的な温度の高い箇所
の検知等が行なえる。また、各種プラントの生産ライン
や、設備の温度コントロール、あるいは、ビルやトンネ
ル等の火災検知用として使用すれば、火災発生位置の標
定を行うことができる。

第２６図に、従来の光ファイバ式分布形温度センサの構
成例を示す。

温度分布測定装置２のセンサ用パルス光源４からのパル
ス光は、光ファイバ５ａ、光分岐器５を通してセンサ用
光ファイバ６に導かれ、センサ用光フアイバ６内で発生
した後方散乱光（反射光）は、その一部が測定装置２側
に戻り、光分岐器５、光ファイバ５ｂを介して、光分岐
器７に導かれる。

光分岐器７で部分された反射光のうち、光ファイバ７ａ
に導かれたものは、中心波長λａＳのアンチストークス
光用の光学フィルタ８ａ、受光器９ａ及び平均化処理回
路１０ａで構成されるアンチストークス光計測系３０ａ
に入り、この光強度からアンチストークス光強度の時間
関数Ｉ　ａ（ｔ）が求められる。他方、光ファイバ７ｂ
に導かれたものは、中心波長λＳのストークス光用の光
学フィルタ８ｂ、受光器９ｂ及び平均化処理回路ｔａｂ
で構成されるストークス光計測系３０ｂに入り、この光
強度からストークス光強度の時間関数Ｉ　５（ｔ）が求
められる。そして温度分布演算回路１１でＩ　ａ（ｔ）
／　Ｉ　５（ｔ）の演算を行うことにより、センサ用光
ファイバに沿った分布測定を行っている。尚、１６は温
度分布表示をなす表示装置である。

しかし、従来では、光源の光を光分岐器５を通してセン
サ用光ファイバに導き、まなセンサ用光ファイバで発生
した後方散乱光を、光分岐器５゜７を通して光計測系３
０ａ、３０ｂに導いている。

従って、光分岐器を通る度に理論的計算だけでも、３ｄ
Ｂづつ光強度が減少するため、合計で、９ｄＢ以上の損
失が光分岐器部分で発生する。

かかる従来技術の欠点を解消すべく、本出願人は、光合
分波器を用いることにより、光ファイバ式分布形温度セ
ンサで取り扱われる３つの波長、つまり光源の波長と信
号のラマン散乱光の二成分であるアンチストークス光と
ナストークス光の各波長とを、効率よく分波することを
提案している（特願平１−１５８２５６号）。即ち、光
源からの光を光合分波器を通してセンサ用光ファイバに
入射させ、センサ用光ファイバから戻ってくる後方散乱
光の反射光のうち特定の波長領域の光を、前記光合分波
器を構成する１枚以上の光学フィルタで反射あるいは透
過させて分離し、その光信号を光計測系の受光器に導く
ことにより、信号光及び光源の光の損失を小さくして、
より高精度の測定を行い得るようにしたものである。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、このような光合分波器を使用した場合でも、実
用性ある光フ、イバ式分布形温度センサを得る上では、
更に幾つかの課題を解決したければならない。

（１）光フアイバ終端の温度測定 狭い場所やパイプの内部または複雑な構造物の隙間の温
度分布を測定しようとする場合にあっては、光ファイバ
を先端からこれらの場所に挿入して測定を行うことが多
い。この時、光ファイバの先端はど目的とする測定対象
に近付くケースが多く、せっかく光ファイバを付設して
も、光フアイバ先端付近の温度分布が測定出来ないと、
温度分布センサの適用効果が稀薄になってしまう。

従って、光フアイバ終端部付近の温度分布まで高精度で
測定できる新規な光フアイバ式温度分布センサの提供が
望まれる。

（２）ＡＰＤの感度と限界値 上記ラマン散乱光あるいはレーり散乱光はいずれも微弱
な散乱光であり、受光器９ａ、９ｂとしては、高感度の
光／電気（０／Ｅ）変換素子、通常はＡＰＤ　（アバア
ランシェ　フォト　ダイオード）を用いる。但し、この
ような高感度の受光素−子はど、受光感度は温度の影響
を受けやすいため、周囲温度が変わるごとに、ｆｉ適な
受光感度となるようにＡＰＤのバイアス電圧を調整した
ければならない。

しかし、高いＳ／Ｎ比で測定を行うことができるように
アンチストークス光強度とストークス光強度の目標値を
大きく設定すると、周囲温度がある範囲（例えば２０〜
４０℃）では精度のよい測定を行うことができるが、周
囲温度がこの範囲からずれた場合、例えば２０℃未満に
なると、温度分布波形に第１４図に示すような緩和現象
が生じる。このため、Ｓ／Ｎ比の高い温度分布測定を困
難にすることがある。

（３）伝送損失の差の除去 ラマン式温度センサは、ラマン散乱光の二成分であるア
ンチストークス光とストークス光の比から温度分布を求
める。この二成分の伝送損失の差Δαは非常に小さいの
で、光ファイバ長が短い場合には無視しても差支えない
が、長い場合には無視できなくなる。そこで、ラマン後
方散乱光から温度分布を求めるには、二成分の伝送損失
の差を考慮し、補正等をする必要がある。但し、検出部
の構造が複雑、高価なものとならないことが望まれる。

（４）距離分解能より小区画の検出 従来の光フアイバ型温度センサでは、装置の最小検出可
能距離より小さい測定対象物の温度を検出することには
できない。検出可能距離を短くする方法としては、光源
のパルス幅を小さくし、サンプリングを大きくすれば良
いが、極めて高速のパルス発生器とデータ処理装置が必
要になり経済性に欠ける。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、光合分波器を使用した光ファイバ式分
布形温度センサにおいて、光フアイバ終端部付近の温度
分布まで高精度で測定できる新規な光ファイバ式分布形
温度センサを提供することにある。

本発明の他の目的は、Ｓ／Ｎ比を向上させるためにアン
チストークス光強度とストークス光強度の目標値を高く
設定した場合でも、周囲温度変化に対して安定した温度
分布測定のできる光ファイバ式分布形温度センサを提供
することにある。

本発明の更に他の目的は、温度分布を計算するのに必要
なラマン散乱光の二成分の伝送損失の差を考慮した光フ
ァイバ式分布形温度センサを提供することにある。

本発明の他の目的は、ラマン散乱光の１成分のみで温度
情報を得られる簡単で安価な光ファイバ式分布形温度セ
ンサを提供することにある。

本発明の他の目的は、距離分解能より小区画の検出がで
きる経済的な光ファイバ式分布形温度センサを提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の光ファイバ式分布形温度センサは、光源からの
光を光合分波器を通してセンサ用光ファイバに入射させ
、センサ用光ファイバから戻ってくる後方散乱光の反射
光のうち特定の波長領域の光を上記光合分波器を通して
分離し、その光信号を光計測系の受光器に導き、光フア
イバ中で発生するラマン散乱光強度の温度依存性より、
０ＴＤＲの手法で光ファイバに沿った長手方向の温度を
測定する構成を前提としている。この光合分波器は１枚
以上の光学フィルタで構成される。

本発明の第１の形態は、かかる構成の光ファイバ式分布
形温度センサにおいて、上記センサ用光ファイバの終端
部に無反射処理を施した構成のものである（請求項１）
。具体的には、センサ用光ファイバの終端部を球面状の
形状に加工し、プラスチックチューブ或いは金属パイプ
等の保護管内に密閉収納したり（請求項２）、また、セ
ンサ用光ファイバの終端部を高屈折率物質で包囲する構
成とすることができる（請求項３）。

第２の形態は、センサ用光ファイバの終端部に、ＧａＡ
ｓ及び反射膜で構成したＧ　ａ　Ａ　ｓセンサをｌ　設
けた構成のものである（Ｍ求項４）、この場合において
、上記センサ用光ファイバの一箇所又は複数箇所に光分
岐器を設け、該光分岐器から分岐した光ファイバの終端
にＧ　ａ　Ａ　ｓ及び反射膜で構成したＧａＡｓセンサ
を設けることもできる（請求項５）。

第３の形態は、センサ用光ファイバの特定場所あるいは
特定区間に設けた制御信号測定部と、この制御信号測定
部で発生した反射光強度に比例する信号の値を利用して
上記受光器を高感度に制御する受光感度制御系とを有す
るものにおいて、制御信号測定部にスポット形温度セン
サを有し、該スポット形温度センサの検出温度を用いて
、上記受光感度制御系が、上記反射光強度に比例する信
号の値に演算処理を行い、この変換値が予め定めた目標
値になるように、受光器の受光感度を制御する構成のも
のである（請求項６）。

この構成は、更に次のような具体的！ｇ様を含む。

（１）受光感度制御系が、上記制御信号測定部で発生し
た反射光の光強度の平均化処理値を利用して上記受光器
のゲイン制御を行う系であり、スポット形温度センサの
検出温度を用いて、上記反射光強度の平均値に演算処理
を行い、この変換値が予め定めた目標値になるように、
受光器の受光感度を制御する。（２）上記受光感度制御
系が、上記制御信号測定部で発生したアンチストークス
光とストークス光の光強度の平均化処理値を利用して上
記受光器のゲイン制御を行う系である。（３）受光感度
制御系が、上記制御信号測定部で発生した実際の反射光
の光強度を利用して上記受光器のゲイン制御を行う系で
あり、スポット形温度センサの検出温度を用いて、上記
反射光強度の値に演算処理を行い、この変換値が予め定
めた目標値になるように、受光器の受光感度を制御する
。（４）上記受光器がアバアランシエ・フォト・ダイオ
ードであり、そのバイアス調整によって受光感度が制御
される。

第４の形態は、上記受光器に導かれる後方散乱光がラマ
ン散乱光の二成分であるアンチストークス光とストーク
ス光であり、これらの光強度からセンサ用光ファイバの
温度を求め、光パルスの入射時刻と反射光が計測系へ到
達する時刻の差から後方散乱光の発生位置を求めること
により、温度と位置を同時計測し、該光ファイバの温度
分布を計測する温度分布演算回路を備え、該演算回路が
、計測されるラマン散乱光の強度とラマン散乱光の発生
確率の関係式とから、アンチストークス光とストークス
光それぞれに対する減衰係数あるいは両者に対する伝送
損失の差を求め、その減衰係数あるいは伝送損失の差か
ら温度分布を演算により求める演算処理機能を備える構
成のものである（請求項７）。

この場合において、上記演算処理機能は、例えば、ラマ
ン後方散乱光二成分の計測値とセンサ用光ファイバの伝
送損失との間で成立する関係式を導出して、温度計測へ
の光フアイバ伝送損失の影響を除去し、この温度に依存
する項を除去した関係式から、アンチストークス光とス
トークス光それぞれに対する減衰係数あるいはラマン散
乱光二成分の伝送損失の差を求めるような機能である。

そして、上記減衰係数あるいは伝送損失の差は、上記温
度に依存する項を除去した関係式の中から任意の３つの
式を選び、この３つの式を解いて得られるレーレ散乱光
、アンチストークス光、ストークス光の伝送損失αｒ、
αａ、αＳから導出することができる。また、上記伝送
損失αｒ、αＳ。

αａの３つの未知数を求める際に、上記温度に依存する
項を除去した関係式の中から３つの式を２組以上とり、
それらの平均を取って最終的に用いる伝送損失とするこ
ともできる。更にまた、伝送損失αｒ、αＳ、αａを、
それぞれ仮に設定した値の第１の項と仮定値と真値の差
を示す第２の項とから成る形とし、ラマン後方散乱光二
成分の計測値とセンサ用光ファイバの伝送損失との間で
成立する各サンプリング点ごとの関係式から求めた伝送
損失を、この第１の項の仮に設定した値とし、第２の項
を同様な方法で求めるといった繰返計算を行い、精度の
良い伝送損失を求めることもできる。

第５の形態は、測定装置から入射した光が全反射するよ
うにセンサ用光ファイバの終端に反射板を設置し、該測
定装置内には、センサ用光ファイバの後方散乱光の二成
分のうちの一方を測定する光測定系と、該光測定系で測
定される後方散乱光であって、光源から出射した光パル
スの透過光による散乱光強度と、上記反射板で反射した
光による散乱光強度とを処理してセンサ用光ファイバに
沿った温度分布を求める温度分布演算回路とを備える構
成のものである（請求項８）。

この場合において、上記温度分布演算回路は、センサ用
光ファイバに沿った各位置で、光源から出射した光パル
スの透過光による散乱光強度と、上記反射板で反射した
光による散乱光強度との和を演算し、光ファイバの伝送
損失による散乱光変化を除去する構成とすることができ
、また、上記光測定系で測定される後方散乱光はアンチ
ストークス光とすることができる。

第６の形態は、布設してあるセンサ用光ファイバの任意
箇所を切断、融着接続することなしに、装置の最小検出
可能距離より小さい測定対象物の温度を検出するために
最小検出可能距離の２倍以上のセンサファイバ長さを取
り出し、これを捻れないように“８”の字型に巻いて楕
円形のケースに収納し、以て光ファイバ形スポットセン
サとする構成のものである（請求項９）、この場合にお
いて、上記ケースを金属で構成し、内部にコンパウンド
や油等を充填することができる。

［作用コ 光源からの光をセンサ用光ファイバに導く部分及びセン
サ用光ファイバから戻ってくる信号光を光計測系に導く
部分で用いられていた光分岐器を、光学フィルタで構成
される光合分波器で置き換えているため、信号光及び光
源の光の損失が小さくなり、光フィバ式分布形温度セン
ナの測定精度が大巾に向上する。

本発明の第１の形態では、光ファイバの終端部に無反射
処理を施し、この部分での反射光を著しく低下させたこ
とにより、後方散乱光への終端部反射光の影響を消去し
、終端部まで高精度で温度分布を測定することかできる
。従って、狭い場所やパイプの内部または複雑な楕遺物
の隙間の温度分布も、光ファイバの終端を目的とする対
象物に挿入設置するだけで、容易に測定することができ
る。また、光ファイバの設置が容易で、省スペース化に
有効であると共に、光フアイバ先端に加工を行うだけで
済むので、他に大幅な変更を必要とせず、経済性に優れ
る。

第２の形態では、光フアイバ中を伝搬してきた光は終端
部のＧａＡｓセンサで反射し、再び光フアイバ中を伝搬
していく、このとき、レーザ光源の光はＧａＡｓで吸収
されるため、反射光は減少する。一方、レーザ光源の光
はＧａＡｓで吸収されないため、反射光は一定となる。

受光器でＧａＡｓセンサの吸収端近傍の波長の光である
レーレ−散乱光を検出し、受光器でＧａＡｓセンサの参
照光を検出し、二つの光の強度比をとると、光フアイバ
先端の温度を計算することができる。

第３の形態では、ＡＰＤの受光感度制御に用いる制御用
信号測定部のアンチストークス光強度とストークス光強
度それぞれの平均化処理値（計測結果）をそのまま用い
ずに、制御用信号測定部の温度も制御情報として演算処
理した後に、ＡＰＤ受光感度制御に用いるものであり、
Ｓ／Ｎ比を向上させるためにアンチストークス光強度と
ストークス光強度の目標値を高く設定した場合でも、周
囲温度変化に対して安定した温度分布の測定ができる。

第４の形態では、温度分布を計算するのに必要なラマン
散乱光の二成分（アンチストークス光とストークス光）
の伝送損失の差を、計測したラマン散乱光強度から求め
ることができる演算処理装置を追加することにより、任
意の光ファイバに対して、あるいは伝送損失が時間的に
変化する場合にも、温度計測への光フアイバ伝送損失の
影響を除去し、精度の良い温度分布が計測できるように
する。具体的には、例えば、計測されるラマン散乱光強
度とラマン散乱光発生確立の関係式からアンチストーク
ス光とストークス光それぞれに対する減衰係数あるいは
、両者に対する伝送損失の差から、ラマン後方散乱光二
成分の計測値と光フアイバ伝送損失間で成立する関係式
を導出して、この関係式からラマン散乱光二成分の伝送
損失の差を計測する。

第５の形態は、測定装！から入射した光が全反射するよ
うにセンサ用光ファイバの終端に反射板を設置し、該測
定装置内には、センサ用光ファイバの後方散乱光の二成
分のうちの一方（例えばアンチストークス光）を測定す
る光測定系と、該光測定系で測定される後方散乱光であ
って、光源から出射した光パルスの透過光による散乱光
強度ａと、上記反射板で反射した光による散乱光強度ａ
′　とを処理してセンサ用光ファイバに沿った温度分布
を求める温度分布演算回路とを備えるものである。

ラマン散乱光の１成分のみ（例えばアンチストークス光
のみ）で温度情報が得られ、しかも上記散乱光強度の和
を演算処理することにより光損失の影響が除去されるた
め、温度分布センサの測定精度が大幅に向上する。また
、ラマン散乱光の１成分のみで温度情報を得られるため
、簡単で安価な光フアイバ式温度分布センサが提供され
る。

第６の形態は、最小検出可能距離の２倍以上のセンサフ
ァイバ長さを取り出し、これを捻れないように“８”の
字型に巻いて楕円形のケースに収納し、以て光ファイバ
形スポットセンサとしたものであり、布設してあるセン
サ用光ファイバの任意箇所を切断、融着接続することな
しに、装置の最小検出可能距離より小さい測定対象物の
温度を検出することができる。

なお、８字に巻くのは以下の理由による。即ち、光ファ
イバを必要長だけ切断してコイル状に巻く場合には、光
ファイバをねじらないで巻くことが可能であるが、切断
したいでコイル化する場合には、コイルを１ターン形成
するごとに、光ファイバは１回転分（３６０度）ねじら
れ、ターン数に比例して、ねじり数が増える。しかし、
８字に巻くと、半周台で１８０度ねじられるが、残りの
半周で、逆方向に１８０度ねじられるなめ、１タ一ン分
では総裁されて、ねじり数は増加したい。

［実施例］ 以下本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図に示す光ファイバ式分布形温度センサの構成は、
従来の第２６図に示したものとほぼ同じであるが、パル
ス光源４．センサ用光ファイバ６及び受光系３０ａ、３
０ｂの三者間に光合分波器１５が使用されていること、
及び、センサ用光ファイバ６の構成において従来と異な
る。

この光合分波器１５は、第２図に示すごとく、接続口Ｐ
Ｉ、Ｐ２．Ｐ３及びＰ４と光学フィルタＦｌ、Ｆ２．Ｆ
３．Ｆ４とから構成されている。

各光学フィルタには第３図に示す特性の光学フィルタが
使用されている。

第３図において、λ０は光源の中心波長、λａはアンチ
ストーク光の波長、λＳはストーク光の波長であり、斜
線部は光を透過するか反射させるかについて規定してい
ない領域を示す。

光源からの波長λ０の光は、接続口Ｐ１がら入射し、２
枚の光学フィルタＦ１１、Ｆ２１を透過した後、接続口
Ｐ２のセンサ用光ファイバ６に入射する。そして、セン
サ用光ファイバ６がら戻ってくる後方散乱光のうち、波
長λａのアンチストークス光は、接続口Ｐ２から入射し
た後、それぞれ、Ｆ２１（反射）→Ｆ２２（反射）→Ｆ
２３（透過）→接続口Ｐ３の経路で、光合分波器１５か
ら出射し、アンチストークス光計測系３０ａに導かれる
。また、波長λＳのストークス光は、接続口Ｐ２から入
射した後、Ｆ２１（透過）−Ｆｌｌ（反射）→Ｆ１２（
反射）→Ｆ１３（透過）→接続口Ｐ４の経路で、光合分
波器１５から出射し、ストークス光計測系３０ｂに導か
れる。

（ａ）光フアイバ終端の温度測定１ 上記第１図の光フアイバ式温度分布センサでは、光源４
から光ファイバに入射する光パルスの波形において、波
頭が比較的長い場合、第４図に示すように、光フアイバ
終端に透過光パルス１９の波頭部２０が先に到着するた
め、ピーク位置が終端に着く前に、この波頭部２０の光
パワーに対して、後方散乱光パルス成分２１よりも極め
て大きな反射成分２２を発生させ、これが後方散乱光成
分に重畳されて入射端に戻って行くことになる。

このため、サンプリングして得られる後方散乱光分布は
２３に示す波形となり、終端の不安定な反射成分の影響
により、この分布から求められる温度分布２４は実際の
光ファイバ長よりも雉かくなり、終端付近の温度を求め
ることができない場合が多い。

これを回避するには波頭の短かい光パルスを入射すれば
よいが、後方散乱光をＳ／Ｎ良く検出できるのに必要な
高出力パルスでこれを実現することは、極めて困難な技
術となっており、先端付近の温度分布は通常、測定値と
して採用していないのが現状である。

しかし、狭い場所やパイプの内部または複雑な構造物の
隙間の温度分布を測定しようとする場合にあっては、光
ファイバを先端からこれらの場所に挿入して測定を行う
ことが多い、この時、光ファイバの先端はど目的とする
測定対象に近付くゲースが多く、せっかく光ファイバを
付設しても、光フアイバ先端付近の温度分布が測定出来
ないと、温度分布センサの適用効果が稀薄になってしま
う６第５図の実施例は、光ファイバの終端部に無反射処
理を施し、この部分での反射光を著しく低下させたこと
により、後方散乱光への終端部反射光の影響を消去し、
終端部まで高精度で温度分布を測定できるようにしたも
のである。

第５図において、センサ用光ファイバ６は、測定対象物
に挿入し設置可能な保護管２５内に密閉収納されている
。この保護管２５はここでは金属パイプ２６から成るが
、プラスチックチューブで構成することもできる。２７
はこのセンサ用光ファイバ６の終端部であり、終端部２
７は無反射処理されている。本実締例では、終端部２７
を球面状の形状に加工し、これを以て終端部２７を無反
射処理している。

この様な球面加工した終端部２７を持つセンサ用光ファ
イバ６を用いた場合の動作について、第６図を用いて説
明する。

第１図の光源から光ファイバに入射された光パルスは、
光フアイバ６中を伝搬したからラマン後方散乱光を発生
させる。透過光パルス１つが光ファイバの終端部２７に
伝搬する。この終端部２７は光ファイバ端を球面加工し
てあり、このために無反射状態になっていることから、
透過光パルス１９の波頭成分２０ａはそのまま外部に透
過し、その時点で入射端に戻っていく後方散乱光パルス
２８には端面での反射成分は含まれない。従って、透過
光パレス７において、波頭成分２０ａを除く部分に対し
て発生する後方散乱光成分が測定装置２に戻ることにな
る。

したがって、光ファイバ６の入射端で０ＴＤＲの手法に
よって得られる後方散乱光分布３１は、第６図に示すよ
うになる。即ち、透過光パルス１９の全体が光フアイバ
内にあり、伝搬している区間では、光フアイバ損失に基
づき対数表示で勾配をもつ直線３１ａで示され、波頭成
分２０ａが外部に透過した後の区間（光フアイバ終端区
間）２９では、徐々に勾配が変化しレベルが低下する曲
線３１ｂとなる。

この光フアイバ終端区間２９の後方散乱光分布３１ａは
、前記したごとく徐々に勾配が変化しレベルの低下する
分布となるが、これは反射光成分のように反射面の状況
などでその都度変わるなど不安定な要素を含まず、透過
光パルス１９が光フアイバ６中に存在しているエネルギ
ー成分に対して発生した散乱光によって、決定されてい
る。

従って、ラマン後方散乱光の２成分であるアンナストー
クス光とストークス光の分布から温度を求める温度分布
センサでは、終端区間２つでの各散乱光は、両者共、第
６図に符号３１ｂで示すごとく同じ形態の分布となり、
これらを演算して得られる温度分布は第６図に３２で示
すようになり、光ファイバ６の終端まで高精度で測定で
きる。

上記実施例では、光ファイバ６の終端部２７を球面状に
形成したが、終端部２７を高屈折率物質で包囲、密封し
た構造とすることにより、光ファイバの終端部２７に無
反射処理を施すこともできる。

上記構成によれば、光フアイバ先端部の温度分布まで測
定でき、光ファイバの終端を目的とする対象物に挿入設
置するだけで、温度を測定することができる。また、光
ファイバの設置が容易で、省スペース化に有効である。

更に、光フアイバ先端に加工を行うだけで、他に大幅な
変更を必要としたいため、経済性に優れる。

（１））光フアイバ終端の温度測定２ 既に述べたように、光フアイバ温度分布センサは、長さ
方向の温度分布計測には対応できるが、センサ用光ファ
イバの終端（先＠）の温度を計測することは原理上困難
である。例えば、第７図に示すように、測定対象物３３
のガイド管３４内に光ファイバ６を設置し、光ファイバ
６の途中の温度分布と光フアイバ６先端の温度とを同時
に計測したい場合があるが、温度分布の計測は出来るも
のの、先端温度の計測は、フレンネル反射などの影響を
受けて、実施不能である。

第８図及び第９図は、センサ用光ファイバの終端部に、
ＧａＡｓ及び反射膜で構成したＧａＡｓセンサを設け、
これによりセンサ用光ファイバの終端部の温度をも測定
できるようにした実施例である。

第８図の光フアイバ温度分布センサも、基本的には第１
図で述べた温度分布センサと同様な構成である。光合分
波器１５の構成は第１０図に示す通りであり、その構成
要素たる光学フィルタＦ１１゜Ｆ２１．　Ｆ１２．　Ｆ
２２．　ＦＯｌ、　ＦＯ２，Ｆ３１．　Ｆ３２゜Ｆ３３
．　Ｆ３４には、第１１図に示す特性のものが使用され
ている。尚、第１０図中「半透過」とは、一部を透過し
一部を反射するという特性を意味し、必ずしも５０％透
過の場合に限られない。

更に、ここでは、光ファイバ６の終端に、ＧａＡｓセン
サ３５が取り付けである。ＧａＡｓは急峻な光学的吸収
帯をもち、この吸収端より長波長の光を透過し、短波長
の光を吸収する。従って、ＧａＡｓの吸収端近傍の短波
長の光と、吸収端から離れた長波長の光との比を取れば
、温度計測ができる。

ＧａＡｓセンサ３５は、具体的には、第９図のように、
光ファイバ６の後端にＧａＡｓ３６を、更にこのＧ　ａ
　Ａ　ｓ　３６の後に反射膜３７を付けたものを、ホル
ダ３８内に収納し、スペーサ３９で固定した構造であり
、ＧａＡｓ３６を通った後の長波長の光を反射膜３７で
反射させ、光ファイバ６に参照光として入射させるよう
にしている。

また、パルス光源４として、２つのレーザ光源４０．４
１及びこれを駆動するパルス駆動回路４２．４３を設け
ている。レーザ光源４ｏは、短波長、即ちＧ　ａ　Ａ　
ｓの吸収端近傍の波長のレーザ光を発生するレーザダイ
オードＬＤから成り、温度分布測定に用いる。レーザ光
源４１は、長波長、即ちＧａＡｓの吸収端から離れた波
長のレーザ光を発生するレーザダイオードＬＤから成り
、温度分布測定の際の参照光用として用いる。

パルス駆動回路４２．４３で駆動されてレーザ光源４０
．４１から発生された光パルスは、接続口ＰＩ、Ｐ５よ
り合分波器１５に入り、合分波器１５を通して接続口Ｐ
２より光ファイバ６に入射される。レーザ光源４０の光
パルスで発生する後方散乱光の一部が再び光フアイバ６
中を入射側へと近い方から順次戻って来る。また、特に
光フアイバ終端のＧａＡｓセンサ３５において、短波長
の光がＧａＡｓ３６で吸収され、ＧａＡｓの吸収端より
長波長の参照光がＧａＡｓを透過した後、反射膜３７で
反射され、光ファイバ６に戻される。

即ち、レーザ光源４０の光はＧ　ａ　Ａ　ｓ　３６で吸
収されるため、反射光は減少する。一方、レーザ光源４
１の光はＧ　ａ　Ａ　ｓ　３６で吸収されないため、反
射光は一定となる。

合分波器１５の接続口Ｐ３．Ｐ４より得られるラマン散
乱光の２成分くストークス光とアンチストークス光）に
ついては、それぞれ受光器９　ａ　＋９ｂに導かれ、そ
の検出信号は、高速平均化装置１０で平均化処理された
後に温度分布演算回路（データ処理装り１１で演算処理
される。

また、短波長のレーザ光源４０により発生するレーレ散
乱光は、接続口Ｐ６より受光器４６に導かれる。更に、
長波長のレーザ光源４１の参照光は、接続口Ｐ７より受
光器４７に導かれる。

このように、受光器４６は短波長のレーザ光源４０によ
り発生したレーレ散乱光を検出し、また受光器４７は長
波長のレーザ光源４１によるＧａＡｓセンサ３５の参照
光を検出し、それらの検出信号がそれぞれ温度分布演算
回路（データ処理装置）１１へ導かれる。ラマン散乱光
は極めて微弱な光であるため、受光器９ａ、９ｂの検出
信号については高速平均化装置１０で平均化処理し、ラ
ンダムノイズを除去してＳ／Ｎ比を改善する必要がある
が、レーレ散乱光及びレーザ光源４１の光はこの必要が
ないため、受光器４６．４７の検出信号は、直接、温度
分布演算回路１１に入力される。

温度分布演算回路１１は、受光器９ａ、９ｂの２つの検
出信号から温度分布を計算する。また温度分布演算回路
１１は、受光器４６．４７の２つの検出信号の比を求め
、光ファイバ６の終端部の温度を計算する。比を求める
のは次の理由による。

即ち、光フアイバ中を伝搬してきた光は終端部のＧａＡ
ｓセンサ３５で反射し、再び光フアイバ６中を伝搬して
いく、このとき、レーザ光源４０の光はＧａＡｓ３６で
吸収されるため、反射光は減少する。一方、レーザ光源
４１の光はＧａＡｓ３６で吸収されないため、反射光は
一定となる。

受光器４６でＧａＡｓセンサ３５の吸収端近傍の波長の
光であるレーレ散乱光を検出し、受光器４７でＧａＡｓ
センサ３５の参照光を検出し、二つの光の強度比から温
度を計算する。尚、演算で求められた温度分布は、表示
装置１６で表示される。

上記のように、従来、測定が出来なかったセンサ用光フ
アイバ終端部の温度が測定できる。また、既設のラマン
散乱光利用の温度分布測定装置が殆どそのまま利用でき
、全体として安価な装置を提供出来る。ＧａＡｓ及び反
射膜から構成した先代の先端部センサを使用するため、
先端部センサは無電源で動作可能であると共に、サージ
や外来ノイズの影響を全く受けない、そして先端部セン
サでの監視対象物の常時監視が可能である。

第８図の例では光ファイバ６を１本だけとしたが、第１
２図のように光ファイバ６の途中の適当な箇所に光分岐
器４８を挿入し、この光分岐器４８から分岐した光フア
イバ枝路６ａ、６ｂの終端に、それぞれＧａＡｓセンサ
３５を取り付けても構わない。

第１３図に、光分岐器４８の分岐比率を、枝路６ａ側〉
枝路６ｂ側とし、枝路６ａ、６ｂの長さＬｌ　、Ｌ２　
ｔＬｌ　＜Ｌ２とした場合に得られる光フアイバ終端部
の出力波形の例を示す。枝路６ａのＧａＡｓセンサ３５
からの信号が先に、枝路６ｂのＧａＡｓセンサ３５′か
らの信号が遅れて、それぞれ測定装置２に到達するため
、２つの信号を分離できる。なお、光分岐器４８は複数
個あっても問題がない。

上記第８図の例では、ＧａＡｓを用いたが、この代わり
に燐光物質を充填し、光源に紫外線を用いて蛍光を検出
しても構わない。

また、第８図の例では、光ファイバ枝路６ａ。

６ｂの先端部のポイント温度検出用光源がパルス光であ
るとして説明したが、温度分布計測用情報として用いる
ラマン散乱光の波長領域を外せば、必ずしもパルス光を
用いる必要はない。一定強度の光源を用いても、同様の
機能を発揮できるものである。

（Ｃ）ＡＰＤの感度と限界値 第１５図を用いて、再度、ラマン式温度分布センサの概
要を説明する。

光源４からパルス光をセンサ用光ファイバ６に導くと、
該光フアイバ内で発生した散乱光の一部は後方散乱光と
して計測装置２側に戻り、光合分波器１５に入射する。

光合分波器１５では入射した後方散乱光から波長λａの
アンチストークス光と波長λＳのストークス光を分渡し
、アンチストークス光は光ファイバ７ａ、受光器９ａ、
増幅器５６ａ、平均化処理回路１０ａで構成されるアン
チストークス光計測系３０ａに入る。受光器９ａでは入
射したアンチストークス光を電圧信号に変換し、増幅器
５６ａでは、これを増幅し、後段の平均化処理回路１０
ａの入力レベルを適正値にする。

パルス光源４と平均化処理回路１０ａ、１０ｂの同期合
せはトリガ回路３の同期信号によって行い、反射光のサ
ンプリングは平均化処理回路１０ａ、１０ｂ内で、第２
８図に示す一定の時間間隔Ｔｓで行われる。平均化処理
回路１０ａでは、更に、時間間隔Ｔｓでサンプリングさ
れた信号のＳ／Ｎ比を改善するために、トリガ回路３の
同期信号に同期して、多数回平均化処理を行う。

この一連の変換・増幅・平均化処理は下記（１）式で表
すことができ、これを変形した下記（２）式から受光器
に入射するアンチストークス光強度の時間関数の平均化
処理値１ａ（ｔ）が求められる。また、ストークス光の
時間関数の平均化処理値ｌ５（ｔ）も同様にして求めら
れる（下記（３）式）。

Ｎη；１ Ｉａ（ｔ）　＝Ｖａ（ｔ）／　（ηａ　−Ｇａ　）　　
　　−（２）Ｉｓ（ｔ）　＝ＶＳ（ｔ）／　（η５−Ｇ
Ｓ）　　　　・・・（３）ｖＢ）：平均化処理回路の出
力 Ｉ（ｔ）：受光器に入射した光強度の 平均化処理値 η：受光器の光−電圧変換係数 Ｇ：増幅器のゲイン （但し、サフィックスａ、ｓはそれぞれアンチストーク
ス光、ストークス光 を表す） ところで、上記ラマン散乱光あるいはレーレ散乱光を利
用した光フアイバ式温度分布センサでは、いずれも微弱
な散乱光を扱っているため、受光器９ａ、９ｂとして通
常はＡＰＤ　（アバランシェフォト　ダイオード）を用
いる。但し、このような高感度の受光素子はど、受光感
度は温度の影響を受けやすいため、周囲温度が変わるご
とに、最適な受光感度となるようにＡＰＤのバイアス電
圧を調整したければならない。

そこで通常は、第１５図に示すように、センサ用光ファ
イバ６の一部に制御用信号測定部６０を設け、この場所
で発生するアンチストークス光の光強度の平均化処理値
１ａ（ｔ）とストークス光の光強度の平均化処理１ｓ（
ｔ）とが、それぞれ予め定めた目標値になるように、Ａ
ＰＤの受光感度を調整し、これにより、安定した受光感
度で測定を行うようにしている。

しかし、高いＳ／Ｎ比で測定を行うことができるように
アンチストークス光強度とストークス光強度の目標値を
大きく設定すると、周囲温度がある範囲（例えば２０〜
４０℃）では精度のよい測定を行うことができるが、周
囲温度がこの範囲からずれた場合、例えば２０℃未満に
なると、温度分布波形に第１４図に示すような緩和現象
が生じる。つまり、センサ用光ファイバ６の一部（制御
用信号測定部６０）を恒温槽に入れて、光ファイバ６に
第１４図（ａ）のようにステップ状の温度変化を与えた
にもかかわらず、この部分の温度分布の測定結果は、第
１４図（ｂ）に実線で示すように、ステップ状の温度変
化が距離方向に緩和された分布となる。これは温度分布
一般の測定結果にも緩和現象が生じることを意味する。

そこで、第１５図の実施例では、ＡＰＤの受光感度制御
に用いる制御用信号測定部のアンチストークス光強度と
ストークス光強度それぞれの平均化処理値（計測結果）
をそのまま用いずに、制御用信号測定部の温度も制御情
報として演算処理した後に、ＡＰＤ受光感度制御に用い
、これにより、Ｓ／Ｎ比を向上させるためにアンチスト
ークス光強度とストークス光強度の目標値を高く設定し
た場合でも、周囲温度変化に対して安定した温度分布測
定を可能とする。

第１４図の緩和現象について吟味した点を次に述べる。

■　まず、アンチストークス光及びストークス光のうち
、アンチストークス光の時間関数１ａ（ｔ）について検
討したところ、周囲温度の高いときにはアンチストーク
ス光の時間関数１８（ｔ）に緩和現象が見られなかった
が、周囲温度が低くなるとＩａ（ｔ）に緩和現象が見ら
れることが分かった。さらに、この原因を検討したとこ
ろ、実際のＡＰＤ受光感度が、目標とすべき限界値より
も若干高いことが分かり、これが温度分布測定結果の緩
和現象の原因と推定された。

ここで、上記受光感度の限界値はＡＰＤの周波数特性か
ら定まるものである。即ち、ＡＰＤの周波数特性は、Ａ
ＰＤ受光感度で変化し、ある受光感度値（限界値）まで
は、高周波領域までほぼ平坦な特性を有するが、その値
を越えると高周波領域での特性が劣化する。そして、こ
のＡＰＤ受光感度はアンチストークス光及びストークス
光強度の目標値で制御される。このため、温度分布測定
のＳ／Ｎ比を高くするためにアンチストークス光及びス
トークス光強度の目標値をむやみに大きくすると、温度
分布測定結果に緩和現象の生ずる原因となる。緩和現象
が生ずるのを避けるためには、アンチストークス光及び
ストークス光強度の目標値は、ＡＰＤの周波数特性が劣
化したい限界値以下に設定することが重要である。

ところで、上記アンチストークス光の時間関数Ｉａ（ｔ
）に緩和現象が発生したのは、この限界値を考慮し、ア
ンチストークス光とストークス光の両者の光強度の目標
値を限界値ギリギリに設定し使用していた場合である。

従って、アンチストークス光の時間関数１８（ｔ）に緩
和現象が発生したのは、アンチストークス光及びストー
クス光強度の目標値が変化し、即ち制御用信号測定部６
０への光強度が何らかの原因で変化し、実際のＡＰＤの
受光感度が目標とした限界値を越えてしまったためと推
定した。

■　そこで、この点に絞って原因を検討したところ、Ａ
ＰＤ受光感度が同じであっても、周囲温度が低い場合に
は、制御用信号測定部６０のアンチストークス光強度が
、周囲温度が高いときに比べて小さく、周囲温度０℃の
ときは周囲温度が４０℃のときと比べて約２０％も小さ
いことが分かった。

このような現象があると、周囲温度が低いときに、アン
チストークス光強度に対応した平均化処理回路１１の出
力が目標値になるようにＡＰＤ受光感度の制御を行うと
、実際のＡＰＤ受光感度は限界値よりも大きくなってし
まう。このためＡＰＤの周波数特性が劣化し、アンチス
トークス光の時間関数１８（ｔ）と温度分布測定結果に
緩和現象が生じたものと考えられた。

■　同様な現象がわずかではあるが、ストークス光に対
して認められた。

■　上記（３）の点より、周囲温度により、ＡＰＤ受光
感度が同じであるにもかかわらず、制御用信号測定部６
０のアンチストークス光及びストークス光強度が変化し
たのは、この部分のアンチストークス光及びストークス
光強度も、それぞれ下記（４）、（５）　弐に従って温
度により変化しており、この変化を無視して、制御して
いたためと考えられる。

Ｉａａｃ　　β（ｔ）　／　（１−βｆｔ））　　　　
　　・（４）Ｉｓａｃ　　１／（１−β（ｔ））　　　
　　　　・（５）βｆｔ）　＝ｅｘｐ（−（ｈ　−ｖ　
−ｖ　ｋ）／（ｋ−Ｔ））　＝−（６）■ａ：ミニアン
チストークス度 Ｉｓニストークス光強度 ｈニブランク定数 ■＝光ファイバ中の光速 シ、ニラマンシフト波数 に：ボルツマン定数 Ｔ：温度 このようなことが生じないようにするには、制御用信号
測定部６０の実際の温度Ｔｃを検出し、光フアイバ６上
の制御用信号測定部６０の部分について計測したアンチ
ストークス光とストークス光強度を、この実際の温度Ｔ
ｃにより修正し、その修正後の結果を用いてＡＰＤ受光
感度の制御を行えばよいことになる。

この一実施例を第１５図にて説明する。

第１５図において、６１は制御用信号計測部６０の温度
Ｔｃを計測するためのスポット形温度センサである。こ
のスポット形温度センサ６１には、熱電対、白金抵抗体
、サーミスタ等の温度感知素子が使用できる。

受光器９ａ、９ｂのＡＰＤ受光感度の制御は、次のよう
にして行われる。

即ち、温度分布演算回路１１は、制御用信号測定部６０
におけるアンチストークス光とストークス光の光強度測
定結果面、藷から直接に求めるのではなく、まず、スポ
ット形温度センサ６１から入力される制御用信号測定部
６０の温度Ｔｃを用いて、アンチストークス光とストー
クス光の光強度測定結果Ｉ　ａｃｏ□Ｉ　ｓｃｏを、そ
れぞれ下記（７）、　（８）式により変換する。

・・・（７） １／（１−β（ＴＣ）） ・・・（８） ＴＣＣニスボット湿温度ンサの測定温度（制御用信号測
定部の温度） Ｔｓ：基準温度 次に、この変換値（ＩａＣ，ｌ５Ｃ）がそれぞれ予め定
めた目標値Ｉａｔ、ＩＳｔになるような制御信号を、Ａ
ＰＤのバイアス調整回路に付与する。

制御用信号測定部６０のアンチストークス光及びストー
クス光強度の目標値Ｉａｔ、ＩＳｔは、制御用信号測定
部６ｏの温度Ｔｃが基準温度Ｔｓのときに、高い周波数
でもＡＰＤの周波数特性が劣化せず、温度分布測定結果
に緩和現象が生じないような値に選ぶ。

上記（７）、　＋８）式から導出した換算値Ｉａｃ、Ｉ
ｓｃを用いて行うＡＰＤ受光感度の具体的な制御手法に
は、公知の制御技術一般が採用できる。ここでは、換算
値Ｉａｃ、Ｉｓｃを目標値のＩａｔ、１ｓｔとそれぞれ
比較し、換算値１ａｃ、Ｉｓｃが対応する目標値よりも
小さければ対応するＡＰＤの受光感度を上げ、目標値よ
りも大きければ対応するＡＰＤの受光感度を下げる、と
いった簡単な制御技術により行っている。しかし、これ
以外の方法、例えばＰＩＤ制御によることもできる。

かかる制御を行うことは、上記（１）〜（３）式で述べ
た受光器９ａ、９ｂの光−電圧変換係数ηを一定にする
ことに対応し、任意のＡＰＤ温度に対して、一定の光−
電圧変換係数ηで計測することになる。したがって、Ａ
ＰＤ受光感度を一定に保持することができ、この結果と
して、ＡＰＤの温度が変化しても受光感度が限界値を越
すことはなくなり、従来技術で発生していたＡＰＤの周
波数劣化に伴う緩和現象が生じなくなる。

前記第１５図の実施例では、ＡＰＤ受光感度の制御に用
いる制御用信号測定部６０のアンチストークス光とスト
ークス光の信号として、それぞれ受光器９ａ、９ｂに入
射するアンチストークス光強度の平均化処理値Ｉ　ａ（
ｔ）とストークス光強度の平均化処理値Ｉ　５（ｔ）と
を用いたが、これらを用いる代わりに、平均化処理回路
１０ａ、１０ｂの出力であるＶａ（ｔ）、Ｖｓ（ｔ）を
用いてもよい、また、Ｉａ（ｔ）、　ｌ５（ｔ）は受光
器に入射するアンチストークス及びストークス光強度の
平均化処理値であるが、この値から求められる制御用信
号測定部６０で実際に発生したアンチストークス光及び
ストークス光強度を使用してもよい、要するに、制御用
信号測定部６０で発生したアンチストークス光及びスト
ークス光の光強度に比例するものであれば、何をパラメ
ータに使っても差し支えない。

また、制御用信号測定部６０には、サンプリング時間間
隔Ｔｓによるサンプリング点が何点含まれていてもよい
、サンプリング点を複数含む場合には、これらの平均を
用いることにより、１点の場合よりも高精度のＡＰＤ受
光感度制御が行える。

（ｄ）伝送損失の差の除去 計測されるラマン散乱光の二成分（アンチストークス光
とストークス光）の光強度からセンサ用光ファイバの温
度を求める具体的な方法は、次のようにして行っている
。

計測される散乱光強度はサンプリング間隔毎に検出され
るが、ｎ番目（ｎ−＝１．２、・・・、ｎｏ）に計測さ
れるアンチストークス光とストークス光のそれぞれの強
度及び、それぞれの減衰係数をＩ　ａ（ｎ）　、　　Ｉ
　５（ｎ）　、γａ（ｎ）、γｓ　（ｎ）とすると、そ
れぞれの強度は ｌ５（ｎ）＝　Ｋ　３−　ｒ　５（ｎ）　−Ｂ　ｓ（Ｔ
　（ｎ））Ｉ　ａｆｎ）＝　Ｋ　ａ　−ｒ　ａ（ｎ）　
−Ｂ　ａ（Ｔ　（ｎ））・−・（９） で示される。

ここに、 Ｂｓ（Ｔ）＝１／　（１−β　（Ｔ））Ｂａ（Ｔ）＝β
／（１−β　（Ｔ）） β　（Ｔ）＝　ｅｘｐ（−＜ｈ−νに−ｃ）／（ｎｃ−
に−Ｔ）） ７−ｓ（ｎ）＝　　　ｅｘｐ（−（ａｒ＋ａｓ　　−ｎ
　　−Δ　Ｘ　〉γａ（ｎ）＝　ｅｘｐ　（−（αｒ十
αａ−ｎ・ΔＸ）・・・（１０） Ｋｓ、Ｋａ：定数 γＳ、γａ：減衰係数 Ｂｓ（Ｔ）、Ｂａ（Ｔ）ニラマン散乱光発生確率β（■
）ニラマン散乱光発生確率を定める温度関数 ｈニブランク定数 νｋ　＝光ファイバ・コアの構成物質で決定されるシフ
ト波数 Ｃ：光速 ｎＣ：光ファイバ・コアの屈折率 に：ボルツマン定数 Ｔ：絶対温度 αｒ：レーレ散乱光の伝送損失 αＳニストークス光の伝送損失 αａ：ミニアンチストークス伝送損失 ΔＸ：サンプリング間隔に対応した距離である。

ここで、（９）式から、アンチストークス光とストーク
ス光の光強度の比を求めると、 Ｉ　ｓ　（ｎ）　　　Ｋ　ｓ　　７　ｓ　ｆｎ）・・・
（１１） となり、減衰係数γＳ、γａが既知の場合には、計測さ
れたＩ　ａ（ｎ）　、Ｉ　ｓ　（ｎ）と（１１）式を用
いて、ラマン散乱光発生確率を定める温度関数β（Ｔ）
を求め、（１０）式を用いて、ｎ番目のサンプリング点
に対応した温度Ｔ　（ｎ）を計測している。

また、ｎ番目のサンプリング点に対応する距離ｘ（ｎ）
は、これを往復伝搬するのに要する時間ｔ　（ｎ）に比
例するので、両者の関係は下記（１２）式％式％） この様にして、各サンプリング点に対応する距離と温度
を求め、光ファイバの長平方向に沿った温度分布を計測
している。温度は、（１１）式で示したように、ラマン
散乱光の二成分であるアンチストークス光とストークス
光の比から求められるため、この二成分とも同じ損失と
なる光ファイバの接続損失やマイクロベント損失等につ
いては、その影響は受けないという利点がある。

なお、（１１）式から温度関数β（Ｔ（ｎ）ｌを計算す
るのに必要な減衰係数の比（γａ（ｎ）／γ５（ｎ））
！、ｔ、下記（１３）式の様に　Δα（伝送損失αａと
αＳの差）で表せるので、Δαが分がれば、温度間数β
＋Ｔ（ｎ）ｌを求めることができる。

γｓ　（ｎ） Δα＝αａ−αＳ ・・・（１３） この伝送損失の差Δαは非常に小さいので、光ファイバ
長が短い場合にはこの項を無視しても差支えないが、長
い場合にはこの項を考慮する必要がある。

現状では、光ファイバを布設する前に、これらの伝送損
失を測定して、これらに対処するか、あるいは別の温度
計で光ファイバ長さ方向の温度を数点測定して対応して
いる。即ち、光フアイバ全長を同一温度に設置しておき
、各サンプリング時刻ごとにアンチストークス光とスト
ークス光を計測して、任意区間の伝送損失の差Δαを求
める。

例えば、サンプリング点ｎ１、ｎ２間の伝送損失の差Δ
ａは、温度関数β（Ｔ）が全長で一定であることを考慮
して、（９）（１０）式から求められ、その結果は下記
（１４）式のようになる。

Δα−［１／　　Ｉ　　（ｎ２　−ｎｌ　　）　　・　
）　ΔＸ］−Ｉ　　ｎ　　［（Ｉａ（ｎｌ）／　Ｉａｆ
ｎ２））÷　（Ｔ　Ｓｆｎ　１）／　Ｉ　５ｆｎ２）ｌ
　　］・・・（１４） しかし、この様な方法では、正確な伝送損失が把握され
ていない既設ファイバをセンサとして用いた場合、ある
いは伝送損失が長期的に変化することも考えられる安価
な光ファイバを使用する場合などに対しては、測定精度
の信頼性の面で難点があり、また、別の温度計を併用す
る場合には、経済性の面で難点がある。

また、光ファイバの伝送損失は、第１７図（ａ）に示す
ように、特定の波長領域で吸収損失が発生する場合があ
り、この波長領域で長期間使用すると、伝送損失が変化
することも考えられる。このため、現状のラマン式温度
センサでは、この波長領域を外して使用している。この
ように、使用する波長領域に制約があるため、任意の光
源を使用できず、装置として高価になる場合がある。

そこで、次に述べる実施例では、ラマン後方散乱光二成
分の計測値と光フアイバ伝送損失間で成立する関係式を
導出して、温度計測への光フアイバ伝送損失の影響を除
去する。

以下、ラマン散乱光二成分（アンチストークス光とスト
ークス光）の伝送損失の差Δαを計測する手法を、第１
６図に基づいて具体的に説明する。

パルス光源４は、トリガ回路（コントローラ）３からの
同期信号に同期して波長λ０で発光する。

この光源４のパルス光を、光ファイバ５ａ、光合分波器
１５を介してセンサ用光ファイバ６に入射させる。光フ
アイバ６内で発生した散乱光の一部は、後方散乱光とし
て計測装置２に戻り、光合分波器１５に入射する。光合
分波器１５では、入射した後方散乱光から波長λａのア
ンチストークス光と波長＾Ｓのストークス光とを分波す
る。

分波された波長λａのアンチストークス光は、光ファイ
バ７ａを通って、受光器９ａ、増幅器５６ａ、Ａ／Ｄコ
ンバータ５７ａ、平均化処理回路１０ａで構成されるア
ンチストークス光測定系３０ａに入る。受光器９ａ″′
Ｃ″電気信号に変換されたアンチストークス光の信号は
、増幅器５６ａで増幅された後、Ａ／Ｄコンバータ５７
ａでサンプリング距＠　１　ｍに相当するサンプリング
時間１０　ｎ　Ｓｅｃでサンプリングされ、デジタル信
号１ｍｂｅｌに変換される。サンプリングした光フアイ
バ上の各点（位置）からのアンチストークス光強度に対
応するデータ１ｍ＋＊ｌは、平均化処理回路８ａにより
、例えば２１６回の加算平均を行うことにより、Ｓ／Ｎ
の高いサンプリングデータＩａ（ｎ）を得ることができ
る。

一方、光分波器１５で分波された波長λＳのストークス
光は、ストークス光測定系３０ｂに入り、アンチストー
クス光の信号と同様の処理が行われた後、平均化処理回
路１０ｓよりサンプリングデータＩ　ｓ　（ｎ）が出力
される。

温度分布演算回路１１では、平均化処理されたサンプリ
ングデータＩ　ａ（ｎ）　、　　Ｉ　ｓ　（ｎ）を、サ
ンプリングの各点につき下記（１６）式に代入し、サン
プリング点数分の関係式を得る。

Ｋｓ　　・７ｓ（ｎ）　　　　Ｋａ−γ５ｆｎ）・・・
　（１６） この（１６）式の減衰係数ｒ　ａ　ｆｎ）　、　ｒ　ｓ
　（ｎ）は、（１０）式より分かるように、伝送損失α
ｒ、αａ及びαＳのみで表わすことができる。尚、この
（８）式は、（１０）式を展開して得られた下記（１５
）式の関係を、上記（１）式に適用し、温度に依存する
項を除去したものである。

Ｂｓ（Ｔ）　−Ｂａ（Ｔ）＝１　　　　　＝１１５）次
に、温度分布演算回路１１は、上記で得られたサンプリ
ング点数分の関係式から、任意の３つの式を選びだし、
その連立方程式を解くことにより、３個の未知数として
伝送損失αｒ、αａ及びαＳを求める。

さらに、温度分布演算回路１１は、この求まった伝送損
失αｒ、αａ及びαＳを用いて、サンプリングの各点に
対応した減衰係数γａ　（ｎ）、γｓ　（ｎ）を求める
。なお、定数ＫａとＫｓは、減衰係数が既知である光フ
ァイバを用いてＩａ（ｎ）。

Ｉ　Ｓ　ｉｎ）を測定し、（１６）式を用いることによ
り、予め求めておく。

さらに減衰係数γａ（ｎ）　、ｒｓ（ｎ）を上記（１１
）式に代入して、各サンプリング点の温度Ｔ　（ｎ）を
求める。

このようにすれば、光ファイバの伝送損失が未知であっ
ても、この光ファイバをセンサとして、光ファイバに沿
った温度分布Ｔ　（ｎ）を求めることができる。

上述の例では、伝送損失αｒ、αＳ、αａの３つの未知
数を求める際に、３つの式を任意の１組だけ選択して用
いたが、この計算に使用できる式はサンプリング点数分
だけあるので、この他の３つの式と組み合わせることも
できる０例えば、２組以上の３つの式の組み合わせから
求めた伝送損失αｒ、αＳ、αａの平均を取り、これを
最終的に用いることにすれば、１組の式の組み合わせか
ら求めなαｒ、αＳ、αａを用いる場合よりも高精度の
温度分布測定を行うことができる。

また、次に示す繰り返し計算によって減衰係数を求めて
もよい。

説明の便宜上、上記（１６）の代わりに用いる（２０）
式の導出方法から説明する。

まず、伝送損失αｒ、αＳ、αａを下記（１７）式に変
形する。

αｒ＝α「Ｏ＋Δαｒ αｓ＝αＳＯ＋Δａｓ　　　　　　　　−（１７）αａ
＝ａａＯ＋Δαａ ここに、（１７）式の右辺第１項は仮に設定した値であ
り、第２項は仮定値と真値の差を示す。

（１０）式に（１７）式を代入し、整理すると、減衰係
数は（１８）式で近似できる。

７８　（ｎ）＝ｋｓ”　　−（１−ｎ−ε５）７ａ　（
ｎ）＝ｋａ”　・（１−ｎ−εａ）・１１８）但し、 ｋｓ＝　　ｅｘｐ（−（ａｒｏ＋α５Ｏ）−ΔＸ）ｋａ
＝　ｅｘｐ（−（αｒｏ＋ｃｚａｏ）　　・ΔＸ）εＳ
＝（ΔαｒＯ＋αＳＯ）・ΔＸ εａ＝（ΔαｒＯ＋αａＯ）　　・ΔＸ・・・（１９） （１６）式に（１８）式を代入して変形し、（２０）式
を得る。

Ｙｓ（ｎ）　・（１＋ｎ−ε５） −Ｙａ（ｎ）　　・（１＋ｎ・εａ）＝１・・・（２０
） 但し、 Ｙｓ（ｎ）＝Ｉ　ｓ　（ｎ）／　（Ｋｓ−Ｋｓ′″）Ｙ
ａ（ｎ）＝ｌ　ａ　（ｎ）／　（Ｋａ−Ｋａ”　）・・
・（２１） 上記（２０）式は各サンプリング点ごとに成立するもの
であり、未知数はεＳ、εａだけであって、これ以外は
計測結果から求められる。

そこで、まず計測したＩ　ａ（ｎ）　、　　Ｉ　ｓ　（
ｎ）の各サンプリング点ごとに成立した対応する式に代
入し、最小二乗法の計算を行うことにより、εＳ。

εａを求める。（Ｋｓ　、Ｋａは前述したように予め求
めておき、また、Ｋｓ、Ｋａは仮定値α「０゜αａＯ，
αＳＯより決まる。） 次に、このε３．εａを用いて、（１７）　〜（１９）
式より減衰係数γａ、γＳ及び伝送損失αｒ、αＳ。

αａを求める。

この計算により求めた伝送損失αｒ、αａ。

αｓを、（１７）式の右辺第１項の仮に設定した値とし
、つまりａｒｏ＝ａ　ｒ　、　ａｓＯ＝ａ　ｓ　、　ａ
ａｏ＝ａ　ａと置いて、上述した計算を再度行う、これ
により（１７）式の仮定値と真値の差Δαｒ、ΔαＳ。

Δαａの大きさは、初回の計算時よりも小さくなり、２
回目の計算結果のαｒ、αＳ、αａは、初回のものより
確度が高いものを得ることができる。

この計算を多数回、例えば１００回行い、最終的に高確
度の伝送損失α「、αＳ、αａを求め、これらの値を用
いてサンプリングの各点に対応した減衰係数γａ（ｎ）
、Ｙｓ　（ｎ）を求め、さらにこれらの値を（１１）式
に代入して温度分布Ｔ　（ｎ）を求める。

第１７図（ｂ）に、このような繰り返し計算を行った場
合のセンサ用光ファイバの伝送損失の差Δαの実測結果
（白丸印）を示す、この測定結果は、同時に計測した分
光特性測定器で得られた結果（実線）と一致し、上記繰
り返し計算を行う計側法が妥当であることが分かる。

上記例では、いずれもラマン散乱光を温度情報とした光
フアイバ式温度分布センサを対象としたものであるが、
レーレ散乱光とラマン散乱光の組合わせを用いた光フア
イバ式温度分布センサに於いても適用することができ、
同様な機能を発揮できるものである。

上記した方法によれば、吸収損が発生する波長領域でも
、温度分布を計測できるようになり、任意の波長の光源
を活用できるので、安価に温度分布センサを製作できる
。また、センサ用光ファイバの伝送損失が何等かの原因
で変化しても、この損失を正確に把握できるので、安価
な光ファイバを使用できるようになると共に、温度分布
センサ装置としての信頼性を向上できる。更に、センサ
用光ファイバの温度分布が不明でも、伝送損失が分かる
ので、事前に伝送損失を求める必要がない。

（ｅ）光損失の影響の除去 既に述べたように、ストークス光とアンチストークス光
の波長が興なるため、センサ用光フアイバ中の伝送損失
が異なる。そこで、ストークス光とアンチストークス光
の強度比をとり、温度情報にする場合、ストークス光と
アンチストークス光の伝送損失の違いを考慮した補正が
必要であり、これら定数を正確に把握する必要がある。

しかし、上記方法（第１６図、第１７図）では、ストー
クス光とアンチストークス光の異なる波長の光を検出す
るため、検出部の構造が複雑となり、高価なものとなっ
ている。

第１８図は、ラマン散乱光の１成分のみで温度情報を得
られる簡単で安価な光フアイバ式温度分布センサの実施
例である。これは、測定装置から入射した光が全反射す
るようにセンサ用光ファイバの終端に反射板を設置し、
該測定装置内には、センサ用光ファイバの後方散乱光の
二成分のうちの一方（例えばアンチストークス光）を測
定する光測定系と、該光測定系で測定される後方散乱光
であって、光源から出射した光パルスの透過光による散
乱光強度ａと、上記反射板で反射した光による散乱光強
度ａ′　とを処理してセンサ用光ファイバに沿った温度
分布を求める温度分布演算回路とを備えるものである。

ラマン散乱光の１成分のみ（例えばアンチストークス光
のみ）で温度情報を得られ、しかも上記散乱光強度ａ、
ａ”の和を演算処理することにより光損失の影響が除去
されるため、温度分布センサの測定精度が大幅に向上す
る。

具体的に説明する。

第１８図において、センサ用光ファイバ６の終端には、
入射した光が全反射するミラー等から成る反射板６４が
配設されている。測定装置２は、０ＴＤＲの手法により
光ファイバ６の各部の温度を検出するものであって、既
に述べた光源４、光分波器１５、受光器９ａ、９ｂ、平
均化処理回路１０ａ、１０ｂ、温度分布演算回路１１等
で構成される。但し、ラマン散乱光の１成分のみを扱え
ば良いため、０ＴＤＲ計測回路としては、アンチストー
クス光測定系３０ａ又はストークス光測定系３０ｂの一
方を備えれていれば良い。

ここではアンチストークス光を取り扱う場合について説
明する。

いま、測定装置２の光源より出射した光パルスが、セン
サ用光ファイバ６を通過し、反射板６４に到達し、反射
されて測定装置２に戻る時、センサ用光ファイバ６の各
点において後方散乱光が発生し、測定装置２に導かれ、
光合分波器１５によりアンチストークス光が分波され、
該装置内部のアンチストークス光測定系３０ａの受光器
９ａにて検出される。

この散乱光強度の時間変位の一例を第１９図に示す、散
乱光強度は、光ファイバ６の伝送損失により図のような
傾斜をもつ。

また、センサ用ファイバ６の全長をし、光フアイバ中の
光速をＣとすると、光源４からの出射光パルスが反射板
６４の直前に進んだ位置での後方散乱光として戻って来
るまでの時間は、即ち、光パルスが出射した時点から上
記後方散乱光が装置２内部の受光器に到達する時点まで
の時間は、２Ｌ／Ｃである。一方、出射光パルスが反射
板６４で反射され、装置２の入射直前における位置で発
生した散乱光のうち、反射板６４の方向に進行したもの
が反射板６４で反射されて、装置２に到達するまでの時
間は４Ｌ／Ｃとなる。

このようなことから、後方散乱光強度の時間的変化は、
第１９図に示すようになる。即ち、後方散乱光強度は、
光源４から出射した光パルスが反射板６４に到達するま
での時間では、第１９図のＡ部のように変化し、Ｂ部で
ファイバ終端のフレネル反射を示し、そして、反射板６
４で反射され装置２に戻ってくる光パルスによる後方散
乱光の変化は、まずｅのように反射板６４の反射による
損失があり、その後Ａ′部のように変化する。また、時
間２Ｌ／Ｃを中心として±Δｔ（時間）の散乱光強度は
、センサ用光ファイバの同一位置（距Ｍ）における散乱
光強度に対応している。尚、Ｄ、Ｄ’は高温部の後方散
乱光強度である。

上記Ａ′で示した後方散乱光は、反射板６４を設けるこ
とにより、入射端で測定可能なレベルになったものであ
り、従来のように反射板６４がないときには、光フアイ
バ遠端で反射する光量か弱くｅの損失が大きいために測
定できないものである。

次に、この散乱光強度の対数表示の時間変位を光ファイ
バ６の距離に対応させると、第２０図に示すようになる
。即ち、光源４から出射した光パルスが反射板６４に到
達するまでに発生する散乱光強度は、第２０図のａ部の
ようになり、光パルスが反射板６４で反射される以後の
散乱光強度は、第２０図のａ′部のようになる。

これを装置２内部の温度分布演算回路１１により、光フ
ァイバ６に沿った各位置で、（ａ＋ａ’　　）を演算す
ると、図中の光ファイバ６の伝送損失による散乱光変化
を除去することができ、第２１図に示すような温度にだ
け依存する散乱光強度変化を得ることができる。これに
より、温度情報が得られる。

さらに、この方法を第２２図を利用して具体的に証明す
ると、次のようになる。

センサ用光フアイバ全長をし、センサ用光フアイバ入射
端より反射板に到達するまでの透過光パルスによる後方
散乱光強度変化をＩ２、反射板６４で反射した以後の透
過光パルスによる後方散乱光強度変化をＩ２、光フアイ
バ入射端における１１の値を１１゜１反射板設置位置に
おけるＩ２の値をＩ２０とすると、光フアイバ入射端か
ら距ｌ／ｌｘの位置における１１．Ｉ２の値は、次式で
表わされる。

Ｉｔ　（Ｘ）　＝Ｉ＋ｏ・ｅＸＤ　（−ａ−ｘ）　　−
ｆ（Ｔｘ）Ｉ　２　ｆｘ）　＝　Ｉ　ｔｏ−ｅｘｐ　（
−ａ　−（Ｌ−ｘ））　−ｆ　（Ｔｘ）α：定数。

ｆ　（Ｔｘ）　：温度関数 そこで、ｘ＋ｆｘ）とＩ２（Ｘ）の幾何学平均をとり、
その値をＩ”（Ｘ）とすると、 Ｉ　”　［Ｘ）　＝　　　１×　　・　２ｘ＝ｆｆ丁＝
Ｌ丁　・ｆ　（Ｔｘ） となる。

かくして、得られる情報Ｉ”（ｘ）は伝送損失の項が無
くなり、温度情報ｆ　（Ｔｘ）のみの関数となる。

従って、この情報を用いれば、光ファイバの伝送損失を
考慮する必要はなく、任意の光ファイバをセンサとして
用いることができる。また、ラマン散乱光の１成分のみ
で温度検出ができるので、装置を安価に構成できる。

本例では反射板６４として、ミラーを考えているが、光
学的に光が全反射するものであれば、いかなるものでも
、同じ機能を発揮できるものである。

上記の光フアイバ式温度分布センサは、検出する後方散
乱光がストークス光かアンチストークス光のどちらか一
方でよいため、従来の方法に比べて測定装置の簡略化、
低コスト化、調整時間の短縮化が可能となる。

（ｆ）距離分解能より小区画の検出 従来の光フアイバ型温度センサには次の問題があった。

■装置の最小検出可能距離より小さい測定対象物の温度
を検出することにはできない、検出可能距離を短くする
方法としては光源のパルス幅を小さくし、サンプリング
を大きくすれば良いが、極めて高速のパルス発生器とデ
ータ処理装置が必要になり経済性に欠ける。

■布設してある光ファイバの一部をコイル化して光フア
イバ型スポットセンサとする場合には、光ファイバの捻
れにより、光損失が大きくなり、温度分布センサのダイ
ナミックレンジが制約され、光ファイバの距離、スポッ
トセンサ個数を減らす必要が生ずる。また、捻れによる
歪で強度劣化が生じやすくなり、長期信頼性上問題とな
る。

■光ファイバを切断し、この切断部に、予め捻れないよ
うに巻いた光フアイバ型スポットセンサを挿入し融着接
続する方法もあるが、融着接続を必要とするため、工事
が複雑になる。又、−度付けたセンサを外して、他に取
り付けることも同じ理由により難しくなる。

第２３図、第２４図は、上記の点を考慮した実施例であ
り、布設してあるセンサ用光ファイバの任意箇所を切断
、融着接続することなしに、装置の最小検出可能距離よ
り小さい測定対象物の温度を検出するなめに最小検出可
能距離の２倍以上のセンサファイバ長さを取り出し、こ
れを捻れないように“８”の字型に巻いて楕円形のケー
スに収納し、以て光ファイバ形スポットセンサとしたも
のである。

第２３図、第２４図において、６５は金属等の熱伝達性
の良い材料から成る楕円形のケースであり、該ケースは
、この内部に収納される光フアイバ心線６６と共に、光
ファイバ形スポットセンサを構成する。

布設してあるセンサ用光ファイバ６は、その−部が切断
したい状態で取り出され、光フアイバコード６７の形で
ケース６５まで導かれる。そして、光フアイバコード６
７はケース入口でコード固定金具６８により固定された
後、ケース６５内で往路復路の光フアイバ心線６６に別
れ、且つケブラ固定金具６９でケース６５内に止められ
る。

ケース６５内において、上記光フアイバ心線６６は、温
度分布測定装置２の最小検出可能距離より小さい測定対
象物の温度を検出可能とするために、最小検出可能距離
の２倍以上の長さ分が“８”の字形に巻かれて、ケース
６５内の空洞部分に収納される。

光フアイバ心線６６を“８”の字状に巻いて楕円形のケ
ース６５内に収納するのは、外力に対して曲げ、側圧な
どの歪が光フアイバ心線６６に加わらないようにするた
めである。特に、光フアイバ心線６６を“８”の字状に
巻くことは、捻れの発生を防止する上で重要である。

即ち、光ファイバを必要長だけ切断してコイル状に巻く
場合には、光ファイバをねじらないで巻くことが可能で
あるが、切断したいでコイル化する場合には、コイルを
１ターン形成するごとに、光ファイバは１回転分く３６
０度）ねじられ、ターン数に比例して、ねじり数が増え
る。しかし、８字に巻くと、半周口で１８０度ねじられ
るが、残りの半周で、逆方向に１８０度ねじられるため
、１タ一ン分では相殺されて、ねじり数は増加したい。

今回は、センサ用光ファイバに　２００７２５０μｍの
Ｑ　Ｓ　Ｉ　（Ｑｕａｓｉ−５ｔｅｐ−Ｉｎｄｅｘ）形
光７フイバを用い、上記“８”の字形の長軸方向の長さ
を１４０ｍ　ｍ、短軸方向の長さを７０ｍｍ、曲げ径を
直径４０ｍｍとした。

第２５図は、単に楕円型に巻いて捻れが入った場合の曲
げ損失と、８の字形状に巻いた場合との曲げ損失とを、
光ファイバ長を３ｍ一定として、比較した図である０曲
げ径が小さくなるほど巻き数が多くなるため、捻れが多
くなり、損失が増加する。今回の曲げ径φ４０ｍｍでは
８の字形状に巻くことで、光損失が０．１ｄＢ低減でき
、光ファイバの距離を長く、センサ個数を増やすことが
できる。

上記例では、センサ用光ファイバは単にケースの空洞部
分に収納しただけであるが、熱伝達性の点からコンパウ
ンドや油等を充填してもよい。

上記第２３図、第２４図のように光ファイバ形スポット
センサを構成することにより最小検出可能距離よりも小
さい対象物の温度測定ができる。

融着接続が不要なため工事が簡単であると共に、接続損
失がないため測定距離を長く、センサ個数を増やすこと
ができる。また、融着接続が不要ななめ、センサ部分の
変更が容易に行える。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、以下の顕著な効果
を奏することができる。

（１）光源からの光をセンサ用光ファイバに導く部分及
びセンサ用光ファイバから戻ってくる信号光を光計測系
に導く部分で用いられていた光分岐器を、光学フィルタ
で構成される光合分波器で１き換えているため、信号光
及び光源の光の損失が小さくなり、光フィバ式分布形温
度センサの測定精度が大巾に向上する。従って、測定条
件や測定精度を従来のままとした場合、従来より測定距
離を長くすることができる。

（２）光ファイバの終端部に無反射処理を施した第１の
形態（Ｎ求項１〜３）では、この部分での反射光を著し
く低下させたことにより、後方散乱光への終端部反射光
の影響を消去し、光フアイバ終端部まで高精度で温度分
布を測定することができる。従って、狭い場所やパイプ
の内部または複雑な構造物の隙間の温度分布も、光ファ
イバの終端を目的とする対象物に挿入設置するだけで、
容易に測定することができる。また、光ファイバの設置
が容易で、省スペース化に有効であると共に、光フアイ
バ先端に加工を行うだけで済むので、他に大幅な変更を
必要とせず、経済性に優れる。

（３）センサ用光ファイバの終端部にＧａＡｓセンサを
設けた第２の形態（請求項４，５）では、従来、測定が
出来なかったセンサ用光フアイバ終端部の温度が測定で
きる。また、既設のラマン散乱光利用の温度分布測定装
置が殆どそのまま利用でき、全体として安価な装置を提
供出来る。ＧａＡｓ及び反射膜から構成した先代の先端
部センサを使用するため、先端部センサは無電源で動作
可能であると共に、サージや外来ノイズの影響を全く受
けない、先端部センサでの監視対象物の常時監視が可能
である。

（４）第３の形態（請求項６）では、温度分布測定のＳ
／Ｎ比を向上させるためにＡＰＤ受光感度の目標値をＡ
ＰＤの高周波での周波数特性が劣化したい限界値に近い
ところに設定した場合でも、周波温度変化に対して、温
度分布測定結果に緩和現象が生じるのを防ぐことができ
、Ｓ／Ｎ比の高い温度分布測定を周囲温度変化の影響を
受けることなく行うことができる。

（５）ラマン散乱光二成分の伝送損失の差を計測し、温
度計測への光フアイバ伝送損失の影響を除去する第４の
形態（請求項７）では、吸収損が発生する波長領域でも
、温度分布を計測できるようになり、任意の波長の光源
を活用できるので、安価に温度分布センサを製作できる
。また、センサ用光ファイバの伝送損失が何等かの原因
で変化しても、この損失を正確に把握できるので、安価
な光ファイバを使用できるようになると共に、温度分布
センサ装置としての信頼性を向上できる。そして、セン
サ用光ファイバの温度分布が不明でも、伝送損失が分か
るので、事前に伝送損失を求める必要がない。

（６）光源から出射した光パルスの透過光による散乱光
強度ａと、上記反射板で反射した光による散乱光強度ａ
′とを処理してセンサ用光ファイバに沿った温度分布を
求める第５の形態（請求項８）では、ラマン散乱光の１
成分のみ（アンチストークス光のみ又はストークス光の
み）で温度情報を得られる。しかも上記散乱光強度ａ。

ａ′の和を演算処理することにより光損失の影響が除去
されるため、温度分布センサの測定精度が大幅に向上す
る。また、ラマン散乱光の１成分のみで温度情報を得ら
れるため、従来の方法に比べて測定装置の簡略化、低コ
スト化、調整時間の短縮化が可能となる。

（７）第６の形！１Ｉｌ（請求項９）では、布設してあ
るセンサ用光ファイバの任意箇所を切断、融着接続する
ことなしに、装置の最小検出可能距離より小さい測定対
象物の温度測定ができる。融着接続が不要なため、低損
失であり、測定距離を長く、センサ個数を増やすことが
できる。また、現在の装！に簡単に挿入、付加できるた
め、工事が簡単であると共にセンサ部分の変更が容易に
行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光ファイバ式分布形温度センサの一実
施例を示す構成図、第２図はそれに使用した光合分波器
の一構成例を示す図、第３図はその光合分波器で使用す
る光学フィルタの特性図、第４図は従来の光フアイバ式
温度分布センサの動作の説明に供する図、第５図は本発
明の光フアイバ式温度分布センサの光フアイバ終端部の
構造例を示す断面図、第６図は本発明の光フアイバ式温
度分布センサの動作の説明に供する図、第７図は測定対
象物の概要図、第８図は本発明の光フアイバ温度分布セ
ンサの他の実施例を示す構成図、第９図はその終端部セ
ンサの構造図、第１０図は第８図で使用した光合分波器
の構成例を示す図、第１１図はその光合分波器で使用す
る光学フィルタの特性図、第１２図は第８図の光フアイ
バ温度分布センサの変形例を示す構成図、第１３図は第
１２図の測定部！で得られる信号波形図、第１４図は温
度分布測定結果の練和現象を示す図、第１５図は本発明
による光ファイバ分布形温度センサの別の実施例を示す
構成図、第１６図は本発明の他の実施例を示す構成図、
第１７図は光ファイバの伝送損失の説明図であり、（ａ
）は特定の波長領域で吸収損失が発生する場合の説明図
、（ｂ）は本発明により求めた光フアイバ伝送損失の測
定例を示す図、第１８図は本発明の光フアイバ式温度分
布センサの他の実施例を示す構成図、第１９図は第１８
図のセンサにより後方散乱光強度の時間変化を測定した
例を示す図、第２０図は第１８図のセンサにより光フア
イバ各点における後方散乱光強度を測定した例を示す図
、第２１図は伝送損失による散乱光変化を除去し温度に
のみ依存する散乱光強度変化とした測定結果を示す図、
第２２図は光ファイバのレーレ散乱損失を除去したとき
の光フアイバ各点における後方散乱光強度の測定例を示
す図、第２３図は本発明の光ファイバ式分布形温度セン
サの構造を示す横断面図、第２４図はそのＢ−Ｂ断面図
、第２５図はねじれの効果を曲げ径−光損失特性で示す
図、第２６図は従来のラマン散乱光利用分布形温度セン
サの構成図、第２７図及び第２８図は測定概念の説明に
供する図である。 図中、２は温度分布測定装置、３はトリガ回路（コント
ローラ）、４はパルス光源、５は光分岐器、５ａ、５ｂ
は光ファイバ、６はセンサ用光ファイバ、７は光分岐器
、７ａ、７ｂは光ファイバ、８ａ、８ｂは光学フィルタ
、９ａ、９ｂは受光器、１０は平均化処理装置、１０ａ
、１０ｂは平均化処理回路、１１は温度分布演算回路、
１５は光合分波器、１６は表示装置、１８はフレネル反
射光、１９は透過光パルス、２０は波頭部、２０ａは透
過光パルス波頭成分、２１は後方散乱光パルス成分、２
２は反射光パルス成分、２３は後方散乱光分布、２４は
温度分布、２５は保護管、２６は金属パイプ、２７は終
端部、２８は後方散乱光パルス、２９は光フアイバ終端
区間、３０ａはアンチストークス光測定系、３０ｓはス
トークス光測定系、３１は後方散乱光分布、３２は温度
分布、３３は測定対象物、３４はガイド管、３５はＧａ
Ａｓセンサ、３６はＧ　ａ　Ａ　ｓ、３７は反射膜、３
８はホルダ、３９はスペーサ、４０．４１はレーザ光源
（ＬＤ）、４２．４３はパルス駆動回路、４４．４５は
干渉フィルタ、４６．４７は受光器（ＡＰＤ）　、４８
は光分岐器、５０は光分波器、５６ａ、５６ｂは増幅器
、５７ａ、５７ｂはＡ／Ｄコンバータ、６０は制御用信
号測定部、６１はスポット形温度センサ、６４は反射板
、６５はケース、６６は光フアイバ心線、６７は光フア
イバコード、６８は光フアイバ固定金具、６９はゲブラ
固定金具である。 特許出願人　　東京電力株式会社 日立電線株式会社 代理人弁理士　　絹　谷　信　雄 ２７外煽部 第２図 第４図 第５図 区 Ｃ） に＃Ｌ 第６図 イも１−　　高　　温　　→４＆　編６゜第７図 第１１図 （ａノ定際耐濱睦噛ン＆＄ 第１４図 ジに表 （ａ） 光透の液玉 （ｂ） 第１７図 第１８図 第１９図 第２０図 距紘 第η図 第２４図 曲　１ア　ずユる。　　　　（ｍｍ） 第２５図 第２６図 第２７図 □時ｒｗ”ｌ　を 第２８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、終端部に無反射処理を施したセンサ用光ファイバに
   光源からの光を光合分波器を通して入射させ、センサ用
   光ファイバから戻ってくる後方散乱光の反射光のうち特
   定の波長領域の光を上記光合分波器を通して分離し、そ
   の光信号を光計測系の受光器に導くことを特徴とする光
   ファイバ式分布形温度センサ。 ２、上記センサ用光ファイバは、その終端部が球面状の
   形状に加工され、保護管内に密閉収納されていることを
   特徴とする請求項１記載の光ファイバ式分布形温度セン
   サ。 ３、上記センサ用光ファイバは、その終端部が高屈折率
   物質で包囲されていることを特徴とする請求項２記載の
   光ファイバ式分布形温度センサ。 ４、光源からの光を光合分波器を通してセンサ用光ファ
   イバに入射させ、センサ用光ファイバから戻ってくる後
   方散乱光の反射光のうち特定の波長領域の光を上記光合
   分波器を通して分離し、その光信号を光計測系の受光器
   に導く光ファイバ式分布形温度センサにおいて、センサ
   用光ファイバの終端部に、ＧａＡｓ及び反射膜で構成し
   たＧａＡｓセンサを設けたことを特徴とする光ファイバ
   式分布形温度センサ。 ５、上記センサ用光ファイバの一箇所又は複数箇所に光
   分岐器を設け、該光分岐器から分岐した光ファイバの終
   端にＧａＡｓ及び反射膜で構成したＧａＡｓセンサを設
   けたことを特徴とする請求項４記載の光ファイバ式分布
   形温度センサ。 ６、光源からの光を光合分波器を通してセンサ用光ファ
   イバに入射させ、センサ用光ファイバから戻ってくる後
   方散乱光の反射光のうち特定の波長領域の光を上記光合
   分波器を通して分離し、その光信号を光計測系の受光器
   に導いてセンサ用光ファイバに沿った温度分布を測定す
   る一方、センサ用光ファイバの特定場所あるいは特定区
   間に制御信号測定部を設け、この制御信号測定部で発生
   した反射光強度に比例する信号の値に基づいて受光感度
   制御系により上記受光器を高感度に制御する光ファイバ
   式分布形温度センサにおいて、制御信号測定部にスポッ
   ト形温度センサを有し、上記受光感度制御系は、該スポ
   ット形温度センサの検出温度を用いて、上記反射光強度
   に比例する信号の値に演算処理を行い、この変換値が予
   め定めた目標値になるように、受光器の受光感度を制御
   する系であることを特徴とする光ファイバ式分布形温度
   センサ。 ７、光源からの光を光合分波器を通してセンサ用光ファ
   イバに入射させ、センサ用光ファイバから戻ってくる後
   方散乱光のうちからラマン散乱光の二成分であるアンチ
   ストークス光とストークス光を上記光合分波器を通して
   分離し、その光信号を光計測系の受光器に導く光ファイ
   バ式分布形温度センサにおいて、上記受光器に導かれる
   アンチストークス光とストークス光の光強度からセンサ
   用光ファイバの温度を求め、光パルスの入射時刻と反射
   光が計測系へ到達する時刻の差から後方散乱光の発生位
   置を求めることにより、温度と位置を同時計測し、該光
   ファイバの温度分布を計測する温度分布演算回路を備え
   、該演算回路が、計測されるラマン散乱光の強度とラマ
   ン散乱光の発生確率の関係式とから、アンチストークス
   光とストークス光それぞれに対する減衰係数あるいは両
   者に対する伝送損失の差を求め、その減衰係数あるいは
   伝送損失の差から温度分布を演算により求める演算処理
   機能を備えることを特徴とする光ファイバ式分布形温度
   センサ。 ８、光源からの光を光合分波器を通してセンサ用光ファ
   イバに入射させ、センサ用光ファイバから戻ってくる後
   方散乱光の反射光のうち特定の波長領域の光を上記光合
   分波器を通して分離し、その光信号を光計測系の受光器
   に導く光ファイバ式分布形温度センサにおいて、測定装
   置から入射した光が全反射するようにセンサ用光ファイ
   バの終端に反射板を設置し、該測定装置内には、センサ
   用光ファイバからの後方散乱光の二成分のうちの一方を
   測定する光測定系と、該光測定系で測定される後方散乱
   光であつて、光源から出射した光パルスの透過光による
   散乱光強度と、上記反射板で反射した光による散乱光強
   度とを処理してセンサ用光ファイバに沿った温度分布を
   求める温度分布演算回路とを備えることを特徴とする光
   ファイバ式分布形温度センサ。 ９、光源からの光を光合分波器を通してセンサ用光ファ
   イバに入射させ、センサ用光ファイバから戻ってくる後
   方散乱光の反射光のうち特定の波長領域の光を前記光合
   分波器を通して分離し、その光信号を光計測系の受光器
   に導く光ファイバ式分布形温度センサにおいて、布設し
   てあるセンサ用光ファイバの任意箇所を切断、融着接続
   することなしに、装置の最小検出可能距離より小さい測
   定対象物の温度を検出するために最小検出可能距離の２
   倍以上のセンサファイバ長さを取り出し、これを捻れな
   いように“８”の字型に巻いて楕円形のケースに収納し
   、以て光ファイバ形スポットセンサとしたことを特徴と
   する光ファイバ式分布形温度センサ。