Optical fiber underwater temperature distribution measurement system

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光ファイバを用いた水中温度分布測定システムに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、水中の温度分布を測定する方式として、水中に吊り下げた送信ケーブルにセンサユニットをスライド自在に取付け、その送信ケーブルを曳航しながらセンサユニットを上下方向にスライドさせ、所定水深における温度情報を、センサユニットと送信ケーブルの電磁結合を利用して船上に送信するようにしたスライド方式が知られている。

また、送信ケーブルに多段状に多数のセンサユニットを取付けてセンサチェーンを構成し、各センサユニットと送信ケーブルとを電磁結合させると共に、ポーリング方式により船上の計測装置に温度情報を送信するようにしたセンサチェーン方式も知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、スライド方式は、センサユニットを上昇させながら、或いは、下降させながら各深度の温度を測定するものであるから、一定深度の温度を連続的に測定できず、また、一定位置の各深度の温度を同時に測定できない問題がある。

また、センサチェーン方式の場合は、測定点が増えると、センサユニットの数が多くなりコスト高になると共に、センサユニットの取付け取外し等の取扱いが不便であるなどの問題があった。

〔課題を解決するための手段〕

上記の問題を解決するためにこの発明は、光ファイバケーブルの長さ方向に沿った温度分布を測定する計測器を用い、これに接続された光ファイバケーブルを船上から吊り下げ曳航することにより、容易に各水深の温度を計測することを可能とした。

この光ファイバケーブルの長さ方向に沿った温度分布を測定する方法としては、光ファイバに入射した光パルスの後方散乱光（ラマン光）の強度が光ファイバの温度の影響を受けるという原理を利用したものがある。

一方、水中に光ファイバケーブルを吊り下げた場合、
水流（海流）や曳航速度の影響によってケーブルが流され、観測船の後方へカテナリー状にわん曲する。 このため水深とケーブル長さとが対応しなくなり、上記の方式によって水中温度分布を測定してもその測定結果と水深の対応関係が正確に得られない場合がある。 このため、
この発明においては、光ファイバケーブルの端末に曳航体を取付け、その曳航体に流速センサを含む各種センサ及びこれらの各センサによる計測信号を計測光信号に変換する変換器を設け、光ファイバケーブルに入射した温度測定光信号の後方散乱光を受光しつつ、上記の計測光信号を同じ光ファイバケーブルを経て計測装置で受光し、受光した両方の光信号を分離して後方散乱光から分布温度データを得ると共に、計測光信号から光ファイバケーブルの長さ方向の温度分布を水深方向の温度分布に補正するためのデータの一部を得るようにした。

また、曳航体に設けられた変換器と光ファイバケーブル先端との間に、アイソレータを介在させ、曳航体側からの計測光信号を通過させ、船上からの温度測定用光信号を阻止する構成とすることもできる。

また、受光した計測光信号と温度測定用光信号を分離するため、両者の信号光の波長を異ならしめ、合分岐器と波長フィルタあるいはこれらが一体となったものを用いることもできる。

更に、上記の光ファイバケーブルとして、光ファイバを金属管の中に充填材と共に収納し、その金属管をテンションメンバと共に撚り合わせたものを用いることもできる。

〔実施例〕

第１図及び第２図は実施例の方式のブロック図であり、１は船体、２は水面である。

船上のウインチ３から光ファイバケーブル４が水中に吊り下げられ、その先端に曳航体５が取付けられる。 曳航体５は圧力センサ６、流速センサ７及び温度センサ８、これらの各センサの計測電気信号を多重化する信号多重部９、多重化信号を計測光信号に変換する電−光変換器（E/O）10、変換された計測光信号のみを通過せしめ逆方向の信号の通過を阻止するアイソレータ11及び曳航体５内の機器に電源を供給するバッテリー12が設けられる。 アイソレータ11を介して前記の光ファイバケーブル４に接続される。

一方、船上において、光ファイバケーブル４に張力・
線長計17が付設される。

ウインチ３の巻芯に光スリップリング18が設けられ、
その光スリップリング18により前記の光ファイバケーブル４に連結された光ファイバ配線20が船上に引出される。 船上に設置された計測装置21には、合分岐器22、光ファイバ分布温度計測器23、波長フィルタ24、光−電変換器（O/E）25、信号分離部26及びコンピュータ27が設けられる。

第３図は光ファイバケーブル４の詳細であり、中央部分のステンレススチール製金属管13に１本又は２本の光ファイバ14を充填材15（例えば、ふっ素樹脂）を収納すると共にそのまわりにテンションメンバとしての鋼線16
を撚り合わせたものである。

上記の光ファイバ分布温度計測器23は従来公知のものであり、温度測定用の光パルスａを合分岐器22、光ファイバ配線20及び光スリップリング18を経て光ファイバケーブル４に入射せしめ、その後方散乱光ｂを受光する。
光パルスａの波長は、例えば0.9μｍであり、ラマン光の後方散乱光ｂの波長は約0.9±0.04μｍである。

後方散乱光ｂの波長分布は、入射光ａと同じ波長（λ
_０ ）のレーリ散乱光ｃ（第４図参照）と、そのレーリ散乱光ｃから波長が±△λだけずれたラマン散乱光があり、ラマン散乱光の強度は、散乱部分の温度の影響を受ける。 なお、ラマン散乱光のうち、λ _０から＋△λずれたものをストークス光ｄ、−△λずれたものを反ストークス光ｄ′と呼ぶ。 ラマン散乱光は極微弱であるので、
S/Nを上げるために、何度も測定を繰り返し、検出信号を加算する。

このようにして得られた信号から、第５図のように光パルス入射からの時間ｔと、検出光パワーの関係で表わした検出データを得ることができる。 図中ｄはストークス光、ｄ′は反ストークス光である。 上記の時間−検出光パワーのデータは分布温度データＡとしてコンピュータ27に入力される（第１図参照）。

光ファイバ中の光の速度は既知であるから光パルス入射時点から信号検出まで時間ｔは、入射端からの光ファイバの距離を表わす。

前記のようにラマン散乱光の強度は、温度依存性があるので、検出光パワーの大きさから温度Ｔが判明する。
従って、コンピュータ27において時間ｔから換算される距離ｌと温度との関係を演算処理すると、第６図のごとき、距離ｌと温度の関係、即ち温度分布図を得ることができる。

一方、曳航体５のアイソレータ11を経て光ファイバケーブル４に入射された計測光信号（例えば、波長1.3μ
ｍ）ｅは、計測装置21の合分岐器22において分離され、
更に計測光信号ｅの波長成分のみが波長フィルタ24を通過する。 （この合分岐器22と波長フィルタ24は、一体となる場合もある。）その後、光−電変換器（O/E）25により電気信号に変換され、変換された電気信号は信号分離部26において、圧力データＢ、流速データＣ、温度データＤに分離され、コンピュータ27に入力される。

また、張力・線長計17から張力データＥ及び線長データＦがコンピュータ27に入力される。 また、船速データＧも入力される。

上記の光ファイバケーブル４は、船速及び流速に従って後方にカテナリー状にわん曲する。

第７図はこれをモデル化して示したものであり、一様流の中に可撓性に富んだケーブルを置いたときの状態を示す。 任意の位置Ｐの微小長さ部分における力のつり合いは次式で表わせる。

dT/dS＝w sinφ＋Rt ……（１） Ｔ（ｄφ/dS）＝w cosφ−Rn ……（２） dX/dS＝cosφ ……（３） dY/dS＝sinφ ……（４） ここで、Ｔは、ケーブルに働く張力 φは、ケーブルと流れがなす角度 Ｓは、ケーブルに沿った長さ Rtは、接線方向の流体力 Rnは、法線方向の流体力 Ｘは、水平方向の距離 Ｙは、垂直方向の距離 ｗは、単位長さ当りのケーブルの水中重量 である。

上記のRt、Rnは、ポーデのモデルを使用すると、次式で与えられる。

_nは、抗力係数 ｇは、重力の加速度 である。

なお、図中Ｔ＝T ₀ 、φ＝φ _０は、Ｓ＝０のときの張力及び角度である。

上記のＴ（ケーブルに働く張力）は、張力データＥにより、Ｓ（ケーブルに沿った長さ）は、線長データＦにより、Ｖ（流体とケーブルの相対速度）は流速データＣ
と船速データＧとからそれぞれ得られる。 また、ｗ（単位長当りのケーブルの水中重量）、γ（流体の比重量）、ｄ（ケーブルの外径）、ｆ（ポーデの定数）、C _n
（抗力係数）、ｇ（重力の加速度）は既知である。

これらのデータ及び既知の数値に基づき、コンピュータ27において上記（１）〜（４）の式をＳ＝０（ケーブル先端の計算開始点）から開始し、順次微小距離dSづつ船体１側へ移動した地点ごとに演算し、その地点のＸ、
Ｙの値及びφの値を知る。 このような演算を順次積み重ねることにより、各地点のＸ、Ｙの値、即ちケーブルのカテナリー形状に沿った各点の水深を知ることができる。

なお、以上の計算方法は一例であって、他の計算法によってカテナリー形状を求めてもよい。

カテナリー形状に沿った光ファイバケーブル４の長さ方向の温度分布は先に述べたように、ラマン光の温度依存性を利用して判明する。

一方カテナリー形状に沿った各点の水深は上述の演算により判明するから、その演算結果に基づき、上述の長さ方向の温度分布を水深方向（第７図のＹ方向）の温度分布に補正することができる。

なお、圧力データＢ、温度データＤ等は上記の計測結果の較正等に使用される。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明は、光ファイバケーブルの長さ方向に沿った温度分布を測定する計測器を用い、これに接続された光ファイバケーブルを船上から吊り下げ曳航するようにしたものであるから、連続的に水中の各水深の温度分布を測定することができる。

また、光ファイバケーブルに入射した温度測定光信号の後方散乱光を受光することにより、光ファイバケーブルに沿った温度分布を容易に測定することができる。

更に、後方散乱光から得られた光ファイバケーブルの長さ方向の温度分布を、水深方向の温度分布に補正することができるので、光ファイバケーブルを曳航しながら各地点の水深方向の温度分布を連続的に計測することができる。

また、水深方向の温度分布に補正するための水中の流速のデータを、上記の光ファイバケーブルによって伝送できるので、光ファイバは最低限度１本あればよく、経済的である。

更に、光ファイバを充填材と共に金属保護管に収納するようにしているので、耐水圧、熱伝導に優れた細径のケーブルとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はシステム全体のブロック図、第２図はシステム全体の概略図、第３図は光ファイバケーブルの拡大断面図、第４図は散乱光の波長分布図、第５図は検出データのグラフ、第６図は温度分布図、第７図は理論式説明のためのモデル図である。 １……船体、２……水面、 ３……ウインチ、４……光ファイバケーブル、 ５……曳航体、６……圧力センサ、 ７……流速センサ、８……温度センサ、 ９……信号多重部、10……電−光変換器、 11……アイソレータ、 12……バッテリー、13……金属管、 14……光ファイバ、15……充填材、 16……鋼線、17……張力・線長計、 18……光スリップリング、 20……光ファイバ配線、 21……計測装置、22……合分岐器、 23……光ファイバ分布温度計測器、 24……波長フィルタ、 25……光−電変換器、 26……信号分離部、27……コンピュータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 哲二 大阪府大阪市此花区島屋１丁目１番３号 住友電気工業株式会社大阪製作所内 (56)参考文献 特開 平２−179429（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−10232（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−96624（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−212326（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−34110（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−95017（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl. ⁶ ，ＤＢ名) G01K 11/32 G01K 1/02