WO2018211634A1 - 温度測定装置、温度測定方法および温度測定プログラム - Google Patents

温度測定装置、温度測定方法および温度測定プログラム Download PDF

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temperature measurement
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有岡孝祐
宇野和史
笠嶋丈夫
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富士通株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres

Definitions

  • This case relates to a temperature measurement device, a temperature measurement method, and a temperature measurement program.
  • a technology has been developed for measuring the temperature distribution in the extending direction of an optical fiber using Stokes light and anti-Stokes light included in backscattered light from the optical fiber when light is incident on the optical fiber from a light source (for example, see Patent Documents 1 and 2).
  • an object of the present invention is to provide a temperature measurement device, a temperature measurement method, and a temperature measurement program that can correct a temperature measurement error.
  • the temperature measuring device is disposed along a predetermined path, and an optical fiber provided with two sections in which the same temperature distribution is obtained before and after the predetermined section, and a light source that makes light incident on the optical fiber, A temperature measurement unit that measures a temperature distribution in the extending direction of the optical fiber based on backscattered light from the optical fiber, and a Stokes component and an anti-Stokes component included in the backscattered light in each of the two sections. And a correction unit that corrects the temperature distribution of the predetermined section measured by the temperature measurement unit.
  • (A) is the schematic showing the whole structure of the temperature measuring device which concerns on embodiment
  • (b) is a block diagram for demonstrating the hardware constitutions of a control part. It is a figure showing the component of backscattered light.
  • (A) is a figure which illustrates the relationship between the elapsed time after the light pulse light emission by a laser, and the light intensity of a Stokes component and an anti-Stokes component
  • (b) is the temperature calculated using the detection result of (a). is there.
  • (A)-(c) is a figure which illustrates the measurement temperature of each position in an optical fiber in a comparatively short distance range.
  • (A) is a figure which illustrates the light intensity of the Stokes component and anti-Stokes component before and behind degradation of an optical fiber
  • (b) is a figure which illustrates the result of having measured the temperature of the area of the same temperature distribution before and after degradation. . It is a figure which illustrates the same temperature area.
  • (A)-(f) is a figure which illustrates a correction process.
  • (A)-(d) is a figure which illustrates the simulation result of a correction process.
  • (A)-(c) is a figure which illustrates the simulation result of a correction process. It is a flowchart showing an example of the temperature correction process by a temperature measuring device.
  • FIG. 1A is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a temperature measuring apparatus 100 according to the embodiment.
  • the temperature measuring device 100 includes a measuring instrument 10, a control unit 20, an optical fiber 30, and the like.
  • the measuring device 10 includes a laser 11, a beam splitter 12, an optical switch 13, a filter 14, a plurality of detectors 15a and 15b, and the like.
  • the control unit 20 includes an instruction unit 21, a temperature measurement unit 22, a deterioration determination unit 23, a correction unit 24, and the like.
  • FIG. 1B is a block diagram for explaining the hardware configuration of the control unit 20.
  • the control unit 20 includes a CPU 101, a RAM 102, a storage device 103, an interface 104, and the like. Each of these devices is connected by a bus or the like.
  • a CPU (Central Processing Unit) 101 is a central processing unit.
  • the CPU 101 includes one or more cores.
  • a RAM (Random Access Memory) 102 is a volatile memory that temporarily stores programs executed by the CPU 101, data processed by the CPU 101, and the like.
  • the storage device 103 is a nonvolatile storage device.
  • the storage device 103 for example, a ROM (Read Only Memory), a solid state drive (SSD) such as a flash memory, a hard disk driven by a hard disk drive, or the like can be used.
  • the instruction unit 21, the temperature measurement unit 22, the deterioration determination unit 23, and the correction unit 24 are realized in the control unit 20.
  • the instruction unit 21, the temperature measurement unit 22, the deterioration determination unit 23, and the correction unit 24 may be hardware such as a dedicated circuit.
  • the laser 11 is a light source such as a semiconductor laser, and emits laser light in a predetermined wavelength range in accordance with an instruction from the instruction unit 21.
  • the laser 11 emits light pulses (laser pulses) at predetermined time intervals.
  • the beam splitter 12 makes the optical pulse emitted from the laser 11 enter the optical switch 13.
  • the optical switch 13 is a switch for switching an emission destination (channel) of an incident optical pulse. In the double-end method, which will be described later, the optical switch 13 injects light pulses alternately into the first end and the second end of the optical fiber 30 at a constant period in accordance with instructions from the instruction unit 21.
  • the optical switch 13 makes an optical pulse incident on either the first end or the second end of the optical fiber 30 in accordance with an instruction from the instruction unit 21.
  • the optical fiber 30 is arranged along a predetermined path for temperature measurement.
  • the length of the optical fiber 30 is L meters (m)
  • the position of the first end is 0 meters (m)
  • the position of the second end is L meters (m).
  • the light pulse incident on the optical fiber 30 propagates through the optical fiber 30.
  • the light pulse gradually attenuates and propagates through the optical fiber 30 while generating forward scattered light traveling in the propagation direction and back scattered light (returned light) traveling in the feedback direction.
  • the backscattered light passes through the optical switch 13 and enters the beam splitter 12 again.
  • the backscattered light incident on the beam splitter 12 is emitted to the filter 14.
  • the filter 14 is a WDM coupler or the like, and extracts a long wavelength component (a Stokes component described later) and a short wavelength component (an anti-Stokes component described later) from the backscattered light.
  • the detectors 15a and 15b are light receiving elements.
  • the detector 15 a converts the received light intensity of the short wavelength component of the backscattered light into an electrical signal and transmits it to the temperature measurement unit 22.
  • the detector 15 b converts the received light intensity of the long wavelength component of the backscattered light into an electrical signal and transmits it to the temperature measurement unit 22.
  • the temperature measurement unit 22 measures the temperature distribution in the drawing direction of the optical fiber 30 using the Stokes component and the anti-Stokes component.
  • the degradation determination unit 23 determines whether degradation has occurred in the optical fiber 30 using the Stokes component and the anti-Stokes component. When the deterioration determining unit 23 determines that the optical fiber 30 has deteriorated, the correcting unit 24 corrects the temperature distribution acquired by the temperature measuring unit 22.
  • FIG. 2 is a diagram showing components of backscattered light.
  • backscattered light is roughly classified into three types. These three types of light are in order of increasing light intensity and closer to the incident light wavelength, such as Rayleigh scattered light used for OTDR (optical pulse tester), Brillouin scattered light used for strain measurement, temperature measurement, etc.
  • Raman scattered light used in The Raman scattered light is generated by the interference between the lattice vibration in the optical fiber 30 that changes according to the temperature and the light. Short-wavelength components called anti-Stokes components are generated by the strengthening interference, and long-wavelength components called Stokes components are generated by the weakening interference.
  • FIG. 3A shows the elapsed time after light pulse emission by the laser 11, the Stokes component (long wavelength component), and the anti-Stokes component (short wavelength component) when light is incident from the first end of the optical fiber 30.
  • FIG. It is a figure which illustrates the relationship with light intensity.
  • the elapsed time corresponds to the propagation distance in the optical fiber 30 (position in the optical fiber 30).
  • the light intensities of the Stokes component and the anti-Stokes component both decrease with elapsed time. This is because the light pulse gradually attenuates and propagates through the optical fiber 30 while generating forward scattered light and back scattered light.
  • the light intensity of the anti-Stokes component is stronger than the Stokes component at a position where the temperature is high in the optical fiber 30, and compared to the Stokes component at a position where the temperature is low. Become weaker. Therefore, the temperature at each position in the optical fiber 30 can be detected by detecting both components with the detectors 15a and 15b and using the difference in characteristics between the two components.
  • the region showing the maximum is a region where the optical fiber 30 is intentionally heated with a dryer or the like in FIG.
  • region which shows minimum is an area
  • the temperature measurement unit 22 measures the temperature from the Stokes component and the anti-Stokes component for each elapsed time. Thereby, the temperature of each position in the optical fiber 30 can be measured. That is, the temperature distribution in the extending direction of the optical fiber 30 can be measured. In addition, since the characteristic difference of both components is utilized, even if the light intensity of both components attenuate
  • FIG. 3B is a temperature calculated using the detection result of FIG.
  • the horizontal axis of FIG.3 (b) is the position in the optical fiber 30 calculated based on elapsed time. As illustrated in FIG. 3B, the temperature at each position in the optical fiber 30 can be measured by detecting the Stokes component and the anti-Stokes component.
  • FIG. 4 (a) to 4 (c) are diagrams illustrating the measured temperature at each position in the optical fiber 30 in a relatively short distance range.
  • the temperature measurement unit 22 acquires a Stokes component and an anti-Stokes component at a predetermined sampling period (every predetermined distance).
  • a Stokes component and an anti-Stokes component are acquired every 0.1 m.
  • the temperature measurement unit 22 calculates the temperature at each sampling point from the acquired Stokes component and anti-Stokes component.
  • FIG. 4A shows the measured temperature at each sampling point as a graph.
  • a method in which the incident position of the optical switch 13 to the optical fiber 30 is fixed at the first end or the second end is called a “one-end method” or a “single-end method” (hereinafter referred to as a single-end method).
  • the single-ended method has the advantage of simplifying the temperature measurement process because it is not necessary to switch the incident position. On the other hand, noise increases as the distance from the incident position increases.
  • the method of switching the incident position between the first end and the second end at a constant cycle is called “loop measurement”, “double end measurement”, “dual end measurement”, etc. (hereinafter referred to as a double end method). Called).
  • the temperature can be measured by averaging (calculating an average value) the anti-Stokes light amount and the Stokes light amount at the position of each optical fiber 30 before and after switching.
  • This method has an advantage that noise at the end of the optical fiber 30 is reduced while control such as switching of the incident position is required.
  • the temperature resolution is four times better than the single-ended method.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating the light intensity of the Stokes component (ST) and the anti-Stokes component (AS) before and after deterioration of the optical fiber 30 with the same temperature distribution. If the optical fiber 30 has not deteriorated, the error in temperature measured by the optical fiber 30 is small, so that the measurement temperature need not be corrected.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating the result of measuring the temperature in the same temperature distribution section before and after deterioration. As illustrated in FIG. 5B, the measured temperature is significantly lower after the deterioration as compared to before the deterioration. Thus, an error occurs in the temperature measurement.
  • the difference in attenuation ratio by using the reference temperature, the attenuation of Rayleigh scattering, or the like.
  • the same temperature section is provided before and after the section where the attenuation occurs, and the measured temperature is corrected by using the difference between the Stokes component and the anti-Stokes component of each temperature section. Correct the error.
  • the same temperature sections A and B are provided before and after the section having a factor of degrading the optical fiber 30 like the high temperature body 40 using, for example, a wound portion, a termination cable, or the like.
  • the same temperature section A and the same temperature section B are laid at the same position before and after the section laid along the high temperature body 40. That is, the same temperature section A and the same temperature section B are sections in which the positions in the extending direction of the optical fiber 30 are different but the laying positions are the same.
  • the optical fiber 30 is wound in the same temperature zone A and the same temperature zone B. The temperature of the laying locations of the temperature sections A and B is lower than that of the high temperature body 40.
  • the same temperature section A is located closer to the light incident side than the same temperature section B.
  • a closed space where the temperature is constant such as a chamber
  • the temperature sections A and B are before and after the section to be measured, there is no need for a winding section or the like.
  • the attenuation ratio of the Stokes component and the anti-Stokes component with respect to the distance is the same as illustrated in FIG.
  • the solid line represents the Stokes component
  • the dotted line represents the anti-Stokes component.
  • FIGS. 7C and 7E the same temperature is measured in the same temperature section A and the same temperature section B.
  • the average Stokes light intensity is STA
  • the average anti-Stokes light intensity is ASA
  • the average anti-Stokes light intensity is ASB.
  • AS ′ (x) after linear correction of the light intensity AS (x) of the anti-Stokes component at the position x between the same temperature section A and the same temperature section B is expressed as the following formula (3).
  • AS ′ (x) after linear correction of the light intensity AS (x) of the anti-Stokes component at the position x after the temperature section B can be expressed as the following formula (4).
  • a and B in the formula represent the positions of the same temperature section A and the same temperature section B in the optical fiber 30. The same shall apply hereinafter.
  • AS ′ (x) AS (x) + ⁇ (x ⁇ A) / (BA) (3)
  • AS ′ (x) AS (x) + ⁇ (4)
  • the attenuation changes linearly with respect to the distance in the degraded section, it can be solved by the above method.
  • the environment exposed to each distance of the optical fiber 30 such as temperature and atmosphere is different, the change in attenuation is basically nonlinear with respect to the distance.
  • AS ′′ (x) AS ′ (x) + ⁇ ( ⁇ st (x) ⁇ as (x)).
  • ⁇ is a constant related to the light intensity at the time of measurement, and when there is a place where the temperature is known or a place where the temperature is spatially close to and equal to the position x1 in the degraded section, the following relational expression of temperature and ST, AS ( 5).
  • AS / ST ⁇ ( ⁇ 0 + ⁇ k ) / ( ⁇ 0 ⁇ k ) ⁇ 4 exp ( ⁇ h ⁇ k / 2 ⁇ kT) (5)
  • the angular frequency of incident light is ⁇ 0
  • the angular frequency of optical phonons in the optical fiber is ⁇ k
  • the Planck constant is h
  • the Boltzmann constant is k
  • the temperature is T.
  • FIGS. 9 (a) to 9 (c) are diagrams illustrating simulation results of the correction process.
  • 8A to 8D illustrate the measured temperature
  • FIGS. 9A to 9C illustrate the Stokes component and the anti-Stokes component.
  • FIG. 9A illustrates the Stokes component ST (x) and the anti-Stokes component AS (x) when the optical fiber 30 is deteriorated.
  • the measured temperature is as indicated by a dotted line in FIG. That is, a difference occurs in the measured temperature between the same temperature section A and the same temperature section B.
  • FIG. 8C illustrates the Stokes component and the anti-Stokes component after linear correction.
  • the difference between the Stokes component and the anti-Stokes component after linear correction is proportional to the nonlinear attenuation component.
  • FIG. 10 is a flowchart showing an example of temperature correction processing by the temperature measuring apparatus 100.
  • the temperature measurement unit 22 periodically acquires the Stokes component and the anti-Stokes component to measure the temperature distribution in the optical fiber 30 (step S1).
  • the deterioration determination part 23 determines whether the temperature difference in the same temperature area A and the same temperature area B exceeds 3 (sigma) (step S2).
  • ⁇ is a standard deviation, and can be calculated from variations in measurement temperature when measurement is repeated at a constant temperature.
  • step S2 If it is determined “No” in step S2, the temperature measurement unit 22 outputs the measured temperature distribution without correction (step S3).
  • the correction unit 24 performs linear correction and non-linear correction on the measured temperature distribution by the correction method described above (Step S4). Thereafter, step S3 is executed. In this case, the corrected temperature distribution is output.
  • the temperature distribution measured by the temperature measurement unit 22 is corrected using the Stokes component and the anti-Stokes component of each of the temperature sections A and B. According to this configuration, the temperature measurement error can be corrected without newly installing a thermometer or a temperature adjusting device or adding a detector.
  • the difference in light intensity between Stokes light and anti-Stokes light is the smallest in the vicinity of 90 ° C., for example, in the case of incident light near 1000 nm.
  • it is advantageous that the difference is large. Therefore, it is preferable to select a temperature of about 300 ° C. to 400 ° C. where the temperature does not deteriorate and the difference is large. .
  • FIG. 12 (a) and 12 (b) are diagrams illustrating other examples of laying the optical fiber 30.
  • FIG. 12A and FIG. 12B the plurality of high temperature bodies 40 may be provided with the same temperature sections A to D laid at a common position.
  • the same high temperature body 40 is commonly used for adjacent high temperature bodies 40.
  • four same temperature sections A to D can be used for three high temperature bodies 40.
  • FIGS. 13A and 13B are diagrams illustrating other examples of laying the optical fiber 30.
  • FIG. 13A and FIG. 13B two types of the same temperature sections A and C and the same temperature sections B and D may be provided. Even in this case, the correction process can be performed using the same temperature sections A and C or the same temperature sections B and D having different distances.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a temperature measurement system.
  • the temperature measurement system has a configuration in which the measuring device 10 is connected to a cloud 302 through an electric communication line 301 such as the Internet.
  • the cloud 302 includes the CPU 101, the RAM 102, the storage device 103, the interface 104, and the like illustrated in FIG. 1B, and realizes a function as the control unit 20.
  • a measurement result measured at a foreign power plant is received by the cloud 302 installed in Japan, and the temperature distribution is measured.
  • a server connected via an intranet or the like may be used.
  • the optical fiber 30 is an example of an optical fiber in which two sections are provided along the predetermined path and the same temperature distribution is obtained before and after the predetermined section.
  • the temperature measurement unit 22 is an example of a temperature measurement unit that measures a temperature distribution in the extending direction of the optical fiber based on backscattered light from the optical fiber.
  • the correction unit 24 is an example of a correction unit that corrects the temperature distribution of the predetermined section measured by the temperature measurement unit using the Stokes component and the anti-Stokes component included in the backscattered light of each of the two sections.
  • the deterioration determination unit 23 is an example of a determination unit that determines whether or not the difference in temperature measured by the temperature measurement unit with respect to the two sections is equal to or greater than a threshold value.

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Abstract

温度測定装置は、所定の経路に沿って配置され、所定区間の前後に同じ温度分布が得られる２区間が設けられた光ファイバと、前記光ファイバに光を入射する光源と、前記光ファイバからの後方散乱光に基づいて前記光ファイバの延伸方向の温度分布を測定する温度測定部と、前記２区間それぞれの前記後方散乱光に含まれるストークス成分とアンチストークス成分とを用いて、前記温度測定部が測定した前記所定区間の温度分布を補正する補正部と、を備える。

Description

温度測定装置、温度測定方法および温度測定プログラム
　本件は、温度測定装置、温度測定方法および温度測定プログラムに関する。
　光源から光ファイバに光を入射した際に当該光ファイバからの後方散乱光に含まれるストークス光およびアンチストークス光を用いて、光ファイバの延伸方向の温度分布を測定する技術が開発されている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開平７－２１８３５４号公報 特開２０１４－１６７３９９号公報
　後方散乱光は、光ファイバの劣化などの要因により減衰する。ストークス光の減衰比とアンチストークス光の減衰比とが異なると、温度測定に誤差が生じる。
　１つの側面では、本件は、温度測定の誤差を補正することができる温度測定装置、温度測定方法および温度測定プログラムを提供することを目的とする。
　１つの態様では、温度測定装置は、所定の経路に沿って配置され、所定区間の前後に同じ温度分布が得られる２区間が設けられた光ファイバと、前記光ファイバに光を入射する光源と、前記光ファイバからの後方散乱光に基づいて前記光ファイバの延伸方向の温度分布を測定する温度測定部と、前記２区間それぞれの前記後方散乱光に含まれるストークス成分とアンチストークス成分とを用いて、前記温度測定部が測定した前記所定区間の温度分布を補正する補正部と、を備える。
　温度測定の誤差を補正することができる。
（ａ）は実施形態に係る温度測定装置の全体構成を表す概略図であり、（ｂ）は制御部のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。 後方散乱光の成分を表す図である。 （ａ）はレーザによる光パルス発光後の経過時間とストークス成分およびアンチストークス成分の光強度との関係を例示する図であり、（ｂ）は（ａ）の検出結果を用いて算出した温度である。 （ａ）～（ｃ）は比較的短い距離範囲における光ファイバ内の各位置の測定温度を例示する図である。 （ａ）は光ファイバの劣化前後におけるストークス成分およびアンチストークス成分の光強度を例示する図であり、（ｂ）は劣化前後において同じ温度分布の区間の温度を測定した結果を例示する図である。 同温度区間を例示する図である。 （ａ）～（ｆ）は補正処理を例示する図である。 （ａ）～（ｄ）は補正処理のシミュレーション結果を例示する図である。 （ａ）～（ｃ）は補正処理のシミュレーション結果を例示する図である。 温度測定装置による温度補正処理の一例を表すフローチャートである。 ストークス光とアンチストークス光の光強度の温度依存性を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は光ファイバの他の敷設例を表す図である。 （ａ）および（ｂ）は光ファイバの他の敷設例を表す図である。 温度測定システムを例示する図である。
　以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。
（実施形態）
　図１（ａ）は、実施形態に係る温度測定装置１００の全体構成を表す概略図である。図１（ａ）で例示するように、温度測定装置１００は、測定機１０、制御部２０、光ファイバ３０などを備える。測定機１０は、レーザ１１、ビームスプリッタ１２、光スイッチ１３、フィルタ１４、複数の検出器１５ａ，１５ｂなどを備える。制御部２０は、指示部２１、温度測定部２２、劣化判定部２３、補正部２４などを備える。
　図１（ｂ）は、制御部２０のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図１（ｂ）で例示するように、制御部２０は、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２、記憶装置１０３、インタフェース１０４などを備える。これらの各機器は、バスなどによって接続されている。ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）１０１は、中央演算処理装置である。ＣＰＵ１０１は、１以上のコアを含む。ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）１０２は、ＣＰＵ１０１が実行するプログラム、ＣＰＵ１０１が処理するデータなどを一時的に記憶する揮発性メモリである。記憶装置１０３は、不揮発性記憶装置である。記憶装置１０３として、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどのソリッド・ステート・ドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスクドライブに駆動されるハードディスクなどを用いることができる。ＣＰＵ１０１が記憶装置１０３に記憶されている温度測定プログラムを実行することによって、制御部２０に指示部２１、温度測定部２２、劣化判定部２３および補正部２４が実現される。なお、指示部２１、温度測定部２２、劣化判定部２３および補正部２４は、専用の回路などのハードウェアであってもよい。
　レーザ１１は、半導体レーザなどの光源であり、指示部２１の指示に従って所定の波長範囲のレーザ光を出射する。本実施形態においては、レーザ１１は、所定の時間間隔で光パルス（レーザパルス）を出射する。ビームスプリッタ１２は、レーザ１１が出射した光パルスを光スイッチ１３に入射する。光スイッチ１３は、入射された光パルスの出射先（チャネル）を切り替えるスイッチである。後述するダブルエンド方式では、光スイッチ１３は、指示部２１の指示に従って、光ファイバ３０の第１端および第２端に一定周期で交互に光パルスを入射する。後述するシングルエンド方式では、光スイッチ１３は、指示部２１の指示に従って、光ファイバ３０の第１端または第２端のいずれか一方に光パルスを入射する。光ファイバ３０は、温度測定対象の所定の経路に沿って配置されている。本実施形態においては、光ファイバ３０の長さをＬメートル（ｍ）とし、第１端の位置を０メートル（ｍ）とし、第２端の位置をＬメートル（ｍ）とする。
　光ファイバ３０に入射した光パルスは、光ファイバ３０を伝搬する。光パルスは、伝搬方向に進行する前方散乱光および帰還方向に進行する後方散乱光（戻り光）を生成しながら徐々に減衰して光ファイバ３０内を伝搬する。後方散乱光は、光スイッチ１３を通過してビームスプリッタ１２に再度入射する。ビームスプリッタ１２に入射した後方散乱光は、フィルタ１４に対して出射される。フィルタ１４は、ＷＤＭカプラなどであり、後方散乱光を長波長成分（後述するストークス成分）と短波長成分（後述するアンチストークス成分）とを抽出する。検出器１５ａ，１５ｂは、受光素子である。検出器１５ａは、後方散乱光の短波長成分の受光強度を電気信号に変換して温度測定部２２に送信する。検出器１５ｂは、後方散乱光の長波長成分の受光強度を電気信号に変換して温度測定部２２に送信する。温度測定部２２は、ストークス成分およびアンチストークス成分を用いて、光ファイバ３０の延伸方向の温度分布を測定する。劣化判定部２３は、ストークス成分およびアンチストークス成分を用いて、光ファイバ３０に劣化が生じているか否かを判定する。劣化判定部２３により、光ファイバ３０に劣化が生じていると判定された場合に、補正部２４は、温度測定部２２が取得した温度分布を補正する。
　図２は、後方散乱光の成分を表す図である。図２で例示するように、後方散乱光は、大きく３種類に分類される。これら３種類の光は、光強度の高い順かつ入射光波長に近い順に、ＯＴＤＲ（光パルス試験器）などに使用されるレイリー散乱光、歪測定などに使用されるブリルアン散乱光、温度測定などに使用されるラマン散乱光である。ラマン散乱光は、温度に応じて変化する光ファイバ３０内の格子振動と光との干渉で生成される。強めあう干渉によりアンチストークス成分と呼ばれる短波長成分が生成され、弱めあう干渉によりストークス成分とよばれる長波長成分が生成される。
　図３（ａ）は、光ファイバ３０の第１端から光入射した場合において、レーザ１１による光パルス発光後の経過時間と、ストークス成分（長波長成分）およびアンチストークス成分（短波長成分）の光強度との関係を例示する図である。経過時間は、光ファイバ３０における伝搬距離（光ファイバ３０における位置）に対応している。図３（ａ）で例示するように、ストークス成分およびアンチストークス成分の光強度は、両方とも経過時間とともに低減する。これは、光パルスが前方散乱光および後方散乱光を生成しながら徐々に減衰して光ファイバ３０内を伝搬することに起因する。
　図３（ａ）で例示するように、アンチストークス成分の光強度は光ファイバ３０において高温になる位置では、ストークス成分と比較してより強くなり、低温になる位置では、ストークス成分と比較してより弱くなる。したがって、両成分を検出器１５ａ，１５ｂで検出し、両成分の特性差を利用することによって、光ファイバ３０内の各位置の温度を検出することができる。なお、図３（ａ）において、極大を示す領域は、図１（ａ）においてドライヤなどで光ファイバ３０を意図的に加熱した領域である。また、極小を示す領域は、図１（ａ）において冷水などで光ファイバ３０を意図的に冷却した領域である。
　本実施形態においては、温度測定部２２は、経過時間ごとにストークス成分とアンチストークス成分とから温度を測定する。それにより、光ファイバ３０内における各位置の温度を測定することができる。すなわち、光ファイバ３０の延伸方向における温度分布を測定することができる。なお、両成分の特性差を利用することから、距離に応じて両成分の光強度が減衰しても、高精度で温度を測定することができる。図３（ｂ）は、図３（ａ）の検出結果を用いて算出した温度である。図３（ｂ）の横軸は、経過時間を基に算出した光ファイバ３０内の位置である。図３（ｂ）で例示するように、ストークス成分およびアンチストークス成分を検出することによって、光ファイバ３０内の各位置の温度を測定することができる。
　図４（ａ）～図４（ｃ）は、比較的短い距離範囲における光ファイバ３０内の各位置の測定温度を例示する図である。まず、図４（ｂ）で例示するように、温度測定部２２は、所定のサンプリング周期（所定の距離ごと）で、ストークス成分およびアンチストークス成分を取得する。図４（ｃ）の例では、０．１ｍごとにストークス成分およびアンチストークス成分が取得されている。次に、温度測定部２２は、取得されたストークス成分とアンチストークス成分とから、各サンプリング点での温度を算出する。図４（ａ）は、各サンプリング点での測定温度をグラフとして表したものである。
　光スイッチ１３からの光ファイバ３０への入射位置が第１端または第２端で固定されている方式は、「片端方式」や「シングルエンド方式」などと呼ばれる（以下、シングルエンド方式と称する）。シングルエンド方式では、入射位置を切り替える必要がないため、温度測定の処理がシンプルになるというメリットがある。一方、入射位置から遠くなるにつれてノイズが大きくなる。
　一方、入射位置を一定周期で第１端と第２端とで切り替える方式は、「ループ式測定」や、「ダブルエンド測定」や、「デュアルエンド測定」などと呼ばれる（以下、ダブルエンド方式と称する）。ダブルエンド方式では、切替前後において、アンチストークス光量とストークス光量とを各光ファイバ３０の位置で平均化（平均値の算出）することによって温度測定が可能となる。この方式では、入射位置の切替などの制御が必要となる一方で、光ファイバ３０の端部におけるノイズが低減されるというメリットがある。例えば、温度分解能が、シングルエンド方式と比較して４倍以上良くなる。
　また、経路中に過大な曲げが発生すると伝送損失が発生し、当該地点で光強度が急峻に低下する。この場合、光強度が急峻に低下し、ストークス成分とアンチストークス成分との比が変わり、温度測定精度が低下する。しかしながら、ダブルエンド方式では、平均を取ることで、曲げ損失点前後の急峻な変化を打ち消すことができる、つまり、損失の長さ方向の変化を解消できるというメリットが得られる。
　しかしながら、本発明者らの鋭意研究により、ダブルエンド方式を用いても温度測定に誤差が生じることが突き止められた。以下、温度測定に誤差が生じる理由について説明する。
　後方散乱光は、光ファイバ３０の劣化により減衰する。光ファイバ３０の劣化とは、光ファイバ３０の経年変化のことであり、具体的には光の漏れや光の吸収などが生じることである。図５（ａ）は、同温度分布での光ファイバ３０の劣化前後における、ストークス成分（ＳＴ）およびアンチストークス成分（ＡＳ）の光強度を例示する図である。光ファイバ３０に劣化が生じていなければ、光ファイバ３０によって測定される温度の誤差は小さいため、測定温度を補正しなくてもよい。
　図５（ａ）で例示するように、ストークス成分およびアンチストークス成分の両方とも、劣化前と比較して劣化後には光強度が低下している。しかしながら、光伝搬距離に対するアンチストークス成分の減衰比は、ストークス成分の減衰比よりも大きくなっている。すなわち、アンチストークス成分は、光伝搬距離に対して、大きく減衰していく。このように、ストークス光の減衰比とアンチストークス光の減衰比とが異なるため、温度測定に誤差が生じる。図５（ｂ）は、劣化前後において同じ温度分布の区間の温度を測定した結果を例示する図である。図５（ｂ）で例示するように、劣化前と比較して劣化後では測定温度が大幅に低くなっている。このように、温度測定に誤差が生じてしまう。
　そこで、減衰比の差を基準温度やレイリー散乱の減衰等を用いて補正することが考えられる。しかしながら、温度計や温度調整装置の新設、検出器の増設などが必要となってしまう。また、距離に非線形な減衰を補正することは困難である。そこで、本実施形態においては、減衰が起きる区間の前後に同温度区間を設け、当該温度区間のそれぞれのストークス成分とアンチストークス成分との差分を用いて測定温度を補正することで、測定温度の誤差を補正する。
　図６で例示するように、高温体４０のように光ファイバ３０を劣化させる要因を有する区間の前後に、例えば捲回部、ターミネーションケーブル等を用いて同温度区間Ａ，Ｂを設ける。本実施形態においては、同温度区間Ａおよび同温度区間Ｂは、高温体４０に沿って敷設された区間の前後の同じ位置に敷設されている。すなわち、同温度区間Ａと同温度区間Ｂとは、光ファイバ３０の延伸方向における位置が異なるが、敷設位置が同じ区間のことである。例えば、同温度区間Ａと同温度区間Ｂとで、光ファイバ３０を重ねて捲回してある。同温度区間Ａ，Ｂの敷設箇所は、高温体４０よりも温度が低くなっている。同温度区間Ａは、同温度区間Ｂよりも光入射側に位置する。チャンバなどの温度が一定である閉鎖空間等において、同温度区間Ａ，Ｂが測定したい区間の前後にあれば、捲回部等がなくてもよい。また１ループに劣化を補正する区間が２つ以上あってもよい。図６の例では、同温度区間が３対設けられている。
　光ファイバ３０に劣化が生じていなければ、図７（ａ）で例示するように、距離に対するストークス成分およびアンチストークス成分の減衰比は同等である。図７（ａ）で、実線がストークス成分を表し、点線がアンチストークス成分を表す。図７（ｃ）および図７（ｅ）でも同様である。図７（ｂ）で例示するように、同温度区間Ａと同温度区間Ｂとで、同じ温度が測定されることになる。
　ここで、同温度区間Ａにおいて、平均ストークス光強度をＳＴＡ、平均アンチストークス光強度をＡＳＡとする。同温度区間Ｂにおいて、平均ストークス光強度をＳＴＢ、平均アンチストークス光強度をＡＳＢとする。この場合、光ファイバ３０に劣化が生じていなければ、下記式（１）が成立する。
ＳＴＡ－ＡＳＡ＝ＳＴＢ－ＡＳＢ　　　（１）
　光ファイバ３０の劣化による減衰が起きたときには、図７（ｃ）で例示するように、同温度区間Ａと比較して、同温度区間Ｂにおいてアンチストークス成分がより減衰することになる。この場合、上記式（１）が成立しなくなり、上記式（１）は下記式（２）のようになる。この場合、図７（ｄ）で例示するように、本来であれば同じ温度が測定される同温度区間Ａと同温度区間Ｂとで、測定温度に差が生じるようになる。
ＳＴＡ－ＡＳＡ＝ＳＴＢ－ＡＳＢ－α　　　（２）
　そこで、補正部２４は、アンチストークス成分を補正することで、測定温度を補正する。まず、同温度区間Ａと同温度区間Ｂとの間の位置ｘにおけるアンチストークス成分の光強度ＡＳ（ｘ）の線形補正後のＡＳ´（ｘ）は、下記式（３）のように表すことができる。同温度区間Ｂ以降の位置ｘにおけるアンチストークス成分の光強度ＡＳ（ｘ）の線形補正後のＡＳ´（ｘ）は、下記式（４）のように表すことができる。ただし、式中でＡおよびＢは、光ファイバ３０における同温度区間Ａおよび同温度区間Ｂの位置を表す。以下、同様とする。
ＡＳ´（ｘ）＝ＡＳ（ｘ）＋α（ｘ－Ａ）／（Ｂ－Ａ）　　　（３）
ＡＳ´（ｘ）＝ＡＳ（ｘ）＋α　　　（４）
　劣化した区間において距離に対して線形的に減衰量が変化している場合は、上記の方法で解決できる。しかしながら、温度や雰囲気など光ファイバ３０の距離ごとに曝されている環境が異なるため、減衰量の変化は基本的には距離に対して非線形である。非線形な減衰成分を求めるために、まず同温度区間Ａと同温度区間Ｂとの間の位置ｘにおける正規化したストークス成分ｓｔ（ｘ）をｓｔ（ｘ）＝ＳＴ（ｘ）－ＳＴＡ＋（ｘ－Ａ）（ＳＴＡ－ＳＴＢ）／（Ｂ－Ａ）と定義し、アンチストークス成分ａｓ（ｘ）をａｓ（ｘ）＝ＡＳ（ｘ）－ＡＳＡ＋（ｘ－Ａ）（ＡＳＡ－ＡＳＢ）／（Ｂ－Ａ）と定義する。地点ｘ１を同温度区間Ａ以降で減衰していない最初の位置として、そのａｓとｓｔとの比βをβ＝ａｓ（ｘ１）／ｓｔ（ｘ１）とすれば、βｓｔ（ｘ）－ａｓ（ｘ）が補正すべき非線形な減衰比による誤差成分に比例する。したがって、非線形補正後のＡＳ´´（ｘ）は、ＡＳ´´（ｘ）＝ＡＳ´（ｘ）＋γ（βｓｔ（ｘ）－ａｓ（ｘ））と表すことができる。γは測定時の光強度に関する定数であり、劣化した区間のなかで温度が既知の場所もしくは位置ｘ１と空間的に近く温度が等しい場所がある場合、以下の温度とＳＴ，ＡＳの関係式（５）から求めることができる。
ＡＳ／ＳＴ＝｛（ω０＋ωｋ）／（ω０－ωｋ）｝４ｅｘｐ（－ｈωｋ／２πｋＴ）　　　（５）
ここで入射光の角周波数をω０、光ファイバ中の光学フォノンの角周波数をωｋ、プランク定数をｈ、ボルツマン定数をｋ、温度をＴとした。
　以上の補正処理によれば、図７（ｅ）のようにストークス成分の減衰比とアンチストークス成分の減衰比との間に差異が生じても、図７（ｆ）で例示するように、同温度区間Ａ，Ｂの測定温度が同等となるように補正される。
　図８（ａ）～図８（ｄ）および図９（ａ）～図９（ｃ）は、補正処理のシミュレーション結果を例示する図である。図８（ａ）～図８（ｄ）は測定温度を例示し、図９（ａ）～図９（ｃ）はストークス成分およびアンチストークス成分を例示する。
　図８（ａ）で例示するように、光ファイバ３０に劣化が生じる前は、高温体において測定温度が高くなり、同温度区間Ａ，Ｂにおける測定温度は同等となる。図９（ａ）は、光ファイバ３０に劣化が生じた場合のストークス成分ＳＴ（ｘ）およびアンチストークス成分ＡＳ（ｘ）を例示する。図９（ａ）で例示するように、ストークス成分の減衰比とアンチストークス成分の減衰比との間に差異が生じている。この場合、測定温度は、図８（ａ）で点線のようになる。すなわち、同温度区間Ａと同温度区間Ｂとの間で測定温度に差が生じるようになる。
　そこで、アンチストークス成分に対して線形補正を行う。その結果が、図９（ｂ）で例示される。この場合、測定温度は、図８（ｂ）で例示するようになる。図８（ａ）の場合と比較して、補正された測定温度と劣化前の測定温度との差が小さくなっている。その一方で、補正された測定温度と劣化前の測定温度との間に、差が生じている。図８（ｃ）は、線形補正後のストークス成分とアンチストークス成分とを例示する。線形補正後のストークス成分とアンチストークス成分との差は、非線形の減衰成分に比例する。
　そこで、アンチストークス成分に対して非線形補正を行う。その結果が、図９（ｃ）で例示される。この場合、測定温度は、図８（ｄ）で例示するようになる。図８（ｂ）の場合と比較して、補正された測定温度と劣化前の測定温度との差がさらに小さくなっている。
　図１０は、温度測定装置１００による温度補正処理の一例を表すフローチャートである。図１０で例示するように、温度測定部２２は、定期的に、ストークス成分およびアンチストークス成分を取得することで、光ファイバ３０内の温度分布を測定する（ステップＳ１）。次に、劣化判定部２３は、同温度区間Ａおよび同温度区間Ｂにおける温度差が３σを超えているか否かを判定する（ステップＳ２）。なお、σは標準偏差のことであり、一定温度の状態で測定を繰り返した場合の測定温度のバラツキから算出しておくことができる。
　ステップＳ２で「Ｎｏ」と判定された場合、温度測定部２２は、測定された温度分布を補正せずに出力する（ステップＳ３）。ステップＳ２で「Ｙｅｓ」と判定された場合、補正部２４は、上述した補正方法により、測定された温度分布に対して線形補正および非線形補正を行う（ステップＳ４）。その後、ステップＳ３が実行される。この場合、補正された温度分布が出力される。
　本実施形態によれば、同温度区間Ａ，Ｂそれぞれのストークス成分とアンチストークス成分とを用いて、温度測定部２２が測定した温度分布を補正する。この構成によれば、温度計や温度調整装置の新設、検出器の増設などを行わなくても、温度測定の誤差を補正することができる。
　図１１で例示するように、ストークス光とアンチストークス光との光強度差は、例えば１０００ｎｍ付近の入射光ならば、９０℃付近が一番小さくなる。同温度区間条件による補正の精度を向上させるためには、差が大きい方が有利であるため、同温度区間の温度は劣化せずかつ差が大きい３００℃～４００℃くらいを選択することが好ましい。
　図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、光ファイバ３０の他の敷設例を表す図である。図１２（ａ）および図１２（ｂ）で例示するように、複数の高温体４０に対して、共通の位置に敷設された同温度区間Ａ～Ｄを設けてもよい。例えば、隣接する高温体４０については、１つの同温度区間を共通して用いる。図１２（ａ）の例では、３つの高温体４０について、４つの同温度区間Ａ～Ｄを用いることができる。
　図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、光ファイバ３０の他の敷設例を表す図である。図１３（ａ）および図１３（ｂ）で例示するように、２種類の同温度区間Ａ，Ｃおよび同温度区間Ｂ，Ｄを設けてもよい。この場合においても、距離の異なる同温度区間Ａ，Ｃまたは同温度区間Ｂ，Ｄを用いて補正処理を行うことができる。
（他の例）
　図１４は、温度測定システムを例示する図である。図１４で例示するように、温度測定システムは、測定機１０が、インターネットなどの電気通信回線３０１を通じてクラウド３０２と接続された構成を有する。クラウド３０２は、図１（ｂ）のＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２、記憶装置１０３、インタフェース１０４などを備え、制御部２０としての機能を実現する。このような温度測定システムでは、例えば、外国の発電所で測定された測定結果が、日本に設置されているクラウド３０２で受信され、温度分布が測定される。なお、クラウド３０２の代わりに、イントラネットなどを介して接続されたサーバを用いてもよい。
　上記各例において、光ファイバ３０が、所定の経路に沿って配置され、所定区間の前後に同じ温度分布が得られる２区間が設けられた光ファイバの一例である。温度測定部２２が、前記光ファイバからの後方散乱光に基づいて前記光ファイバの延伸方向の温度分布を測定する温度測定部の一例である。補正部２４が、前記２区間それぞれの前記後方散乱光に含まれるストークス成分とアンチストークス成分とを用いて、前記温度測定部が測定した前記所定区間の温度分布を補正する補正部の一例である。劣化判定部２３が、前記２区間に対して前記温度測定部が測定した温度の差が閾値以上となるか否かを判定する判定部の一例である。
　以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
　１０　測定機
　１１　レーザ
　１２　ビームスプリッタ
　１３　光スイッチ
　１４　フィルタ
　１５ａ，１５ｂ　検出器
　２０　制御部
　２１　指示部
　２２　温度測定部
　２３　劣化判定部
　２４　補正部
　３０　光ファイバ
　１００　温度測定装置

Claims (10)

  1. 　所定の経路に沿って配置され、所定区間の前後に同じ温度分布が得られる２区間が設けられた光ファイバと、
    　前記光ファイバに光を入射する光源と、
    　前記光ファイバからの後方散乱光に基づいて前記光ファイバの延伸方向の温度分布を測定する温度測定部と、
    　前記２区間それぞれの前記後方散乱光に含まれるストークス成分とアンチストークス成分とを用いて、前記温度測定部が測定した前記所定区間の温度分布を補正する補正部と、を備えることを特徴とする温度測定装置。
  2. 　前記２区間に対して前記温度測定部が測定した温度の差が閾値以上となるか否かを判定する判定部を備え、
    　前記補正部は、前記温度の差が前記閾値以上となると判定された場合に、前記所定区間の温度分布を補正することを特徴とする請求項１記載の温度測定装置。
  3. 　前記所定区間は、前記２区間よりも高い温度の区間に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の温度測定装置。
  4. 　前記補正部は、前記所定区間における前記アンチストークス成分に対して、前記光ファイバ内の距離に対する線形補正を行うことで、前記所定区間の温度分布を補正することを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の温度測定装置。
  5. 　前記補正部は、前記所定区間において、前記ストークス成分と前記アンチストークス成分との差分が前記光ファイバ内の距離に応じて線形的に大きくなることを仮定し、前記差分の線形的な変化が相殺されるように前記線形補正を行うことを特徴とする請求項４記載の温度測定装置。
  6. 　前記補正部は、前記所定区間における前記ストークス成分と、前記線形補正後の前記アンチストークス成分との差分を用いて、前記所定区間の温度分布をさらに補正することを特徴とする請求項４または５に記載の温度測定装置。
  7. 　前記補正部は、前記所定区間において、前記ストークス成分と、前記線形補正後の前記アンチストークス成分との差分を用いて、前記ストークス成分に対する前記アンチストークス成分の非線形な減衰が相殺されるように、前記所定区間の温度分布を補正することを特徴とする請求項６記載の温度測定装置。
  8. 　前記２区間は、３００℃～４００℃の温度分布が得られる箇所に配置されていることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の温度測定装置。
  9. 　所定の経路に沿って配置され、所定区間の前後に同じ温度分布が得られる２区間が設けられた光ファイバに光源によって光を入射し、
    　前記光ファイバからの後方散乱光に基づいて前記光ファイバの延伸方向の温度分布を温度測定部が測定し、
    　前記２区間それぞれの前記後方散乱光に含まれるストークス成分とアンチストークス成分とを用いて、前記温度測定部が測定した前記所定区間の温度分布を補正部が補正する、ことを特徴とする温度測定方法。
  10. 　コンピュータに、
    　所定の経路に沿って配置され所定区間の前後に同じ温度分布が得られる２区間が設けられ光源から光を入射された光ファイバからの後方散乱光に基づいて前記光ファイバの延伸方向の温度分布を測定する処理と、
    　前記２区間それぞれの前記後方散乱光に含まれるストークス成分とアンチストークス成分とを用いて、前記温度測定部が測定した前記所定区間の温度分布を補正する処理と、を実行させることを特徴とする温度測定プログラム。
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