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分散型温度センシングシステム( DTS ) は、線形センサーとして機能する光ファイバーを使用して温度を測定する光電子デバイスです。温度は光センサーケーブルに沿って記録されるため、点ではなく連続プロファイルとして記録されます。長距離にわたって高精度の温度測定が実現されます。通常、DTS システムは、0.01 °C の分解能で±1 °C 以内の精度で、1 mの空間分解能で温度を特定できます。30 km を超える測定距離を監視でき、一部の特殊なシステムではさらに高い空間分解能を提供できます。光ファイバーに沿った熱変化は、屈折率の局所的な変化を引き起こし、その結果、光ファイバーを通過する光の非弾性散乱につながります。熱は、材料中の分子または格子振動の形で保持されます。高周波 (10 THz) の分子振動はラマン散乱の原因となります。低周波振動 (10〜30 GHz) はブリルアン散乱を引き起こします。光ファイバーを通過する光と材料自体との間でエネルギーが交換され、入射光の周波数シフトが発生します。この周波数シフトを利用して、光ファイバーに沿った温度変化を測定することができます。[ 1 ]
温度や圧力、引張力といった物理的な測定寸法は、ガラス繊維に影響を与え、繊維内の光伝送特性を局所的に変化させる可能性があります。石英ガラス繊維内での光の散乱による減衰の結果、外部の物理的影響の位置を特定できるため、光ファイバーを線形センサーとして利用することができます。
光ファイバーは、ドーピングされた石英ガラスで作られています。石英ガラスは、非晶質の固体構造を持つ二酸化ケイ素（SiO₂ ）の一種です。熱効果により、固体内部で格子振動が発生します。光がこれらの熱励起された分子振動に当たると、光粒子（光子）と分子の電子との間で相互作用が生じます。光ファイバー内では、ラマン散乱としても知られる光散乱が発生します。入射光とは異なり、この散乱光は格子振動の共鳴周波数に相当する量だけスペクトルシフトを受けます。したがって、光ファイバーから散乱されて戻ってくる光は、3つの異なるスペクトル成分を含んでいます。
いわゆる反ストークス帯の強度は温度に依存する一方、いわゆるストークス帯は実質的に温度に依存しない。光ファイバーの局所温度は、反ストークス光とストークス光の強度比から求められる。
分散型センシング技術の測定には、OTDR（光時間領域反射率測定法）とOFDR（光周波数領域反射率測定法）という2つの基本的な原理があります。分散型温度センシングでは、両方の原理の要素を取り入れたコード相関技術 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]がよく用いられます。
OTDRは20年以上前に開発され、通信損失測定の業界標準となっています。OTDRは、ラマン信号に比べて圧倒的に優勢なレイリー後方散乱信号を検出します。OTDRの原理は非常にシンプルで、レーダーで使用される飛行時間測定とよく似ています。基本的には、半導体レーザーまたは固体レーザーによって生成された狭いレーザーパルスを光ファイバーに送り込み、後方散乱光を分析します。後方散乱光が検出ユニットに戻ってくるまでの時間から、温度変化が発生した場所を特定できます。
代替のDTS評価ユニットでは、光周波数領域反射率測定法（OFDR）が採用されています。OFDRシステムは、測定時間全体にわたって検出された後方散乱信号を複素数として周波数の関数として測定し、フーリエ変換を行った場合にのみ、局所的な特性に関する情報を提供します。OFDR技術の基本原理は、レーザーが採用する準連続波モードと、光後方散乱信号の狭帯域検出です。しかし、ラマン散乱光の測定が技術的に困難であること、および電子部品に高い線形性が要求されるFFT計算による信号処理がかなり複雑であるという欠点があります。
コード相関DTSは、限られた長さのオン/オフシーケンスを光ファイバーに送信します。コードは、バイナリGolayコードなど、適切な特性を持つように選択されます。OTDR技術とは対照的に、光エネルギーは単一のパルスに詰め込まれるのではなく、コード全体に分散されます。そのため、OTDR技術に比べてピークパワーの低い光源、例えば長寿命の小型半導体レーザーを使用できます。検出された後方散乱は、OFDR技術と同様に、相互相関などによって空間プロファイルに変換する必要があります。OFDR技術とは対照的に、放射は有限（例えば128ビット）であるため、遠方からの弱い散乱信号が近距離からの強い散乱信号と重畳されることを回避し、ショットノイズと信号対雑音比を改善します。
これらの技術を用いることで、1つのシステムから30km以上の距離を分析し 、0.01℃未満の温度分解能を測定することが可能となる。
温度測定システムは、コントローラ（レーザー光源、OTDR用パルス発生器、コード相関用コード発生器、またはOFDR用変調器およびHFミキサー、光モジュール、受信機、マイクロプロセッサユニット）と、線状温度センサとしての石英ガラスファイバーで構成されています。光ファイバケーブル（長さは70kmにも及ぶ[ 5 ]）は受動的な性質を持ち、個別のセンシングポイントを持たないため、標準的な通信用ファイバーをベースに製造できます。これにより、優れた規模の経済性が得られます。システム設計者/インテグレータは各センシングポイントの正確な位置を気にする必要がないため、分散型光ファイバセンサに基づくセンシングシステムの設計および設置コストは、従来のセンサに比べて大幅に削減されます。さらに、センシングケーブルには可動部品がなく、設計寿命が30年以上であるため、保守および運用コストも従来のセンサに比べて大幅に削減されます。光ファイバーセンシング技術のその他の利点としては、電磁干渉や振動の影響を受けにくく、危険区域での使用も安全であること（レーザー出力が発火を引き起こすレベルを下回るため）が挙げられます。そのため、これらのセンサーは産業用センシング用途に最適です。
センシングケーブルの構造に関しては、標準的な光ファイバーをベースとしているものの、個々のセンシングケーブルの設計においては、ファイバーを適切に保護するよう注意を払う必要があります。これには、動作温度（標準ケーブルは85℃まで動作しますが、適切な設計であれば700℃ まで測定可能です）、ガス環境（水素はシリカガラス化合物の「水素黒化」、すなわち減衰によって測定の劣化を引き起こす可能性があります）、および機械的保護を考慮する必要があります。
市販されているDTSシステムのほとんどは、柔軟なシステムアーキテクチャを備えており、 SCADAなどの産業用制御システムへの統合も比較的容易です。石油・ガス業界では、 DTS機器からのデータ転送用にXMLベースのファイル標準（WITSML）が開発されています。この標準はEnergistics社によって維持管理されています。
光学的DTSなどの光学的測定に基づくシステムを運用する場合、常設設備においてはレーザー安全要件を考慮する必要があります。多くのシステムは、例えばレーザー安全クラス1Mに分類される低出力レーザー設計を採用しており、誰でも適用できます（認定レーザー安全担当者は不要です）。一方、 3B定格の高出力レーザーに基づくシステムもあり、認定レーザー安全担当者による使用は安全ですが、常設設備には適さない場合があります。
純粋な受動型光センサー技術の利点は、電気的または電磁気的な相互作用がないことです。市販されているDTSシステムの中には、特殊な低消費電力設計を採用し、ATEX指令ゾーン0の認証など、爆発性環境下でも本質的に安全なものがあります。
火災検知用途で使用する場合、規制では通常、 EN 54-5またはEN 54-22 （ヨーロッパ）、UL521またはFM（米国）、cUL521（カナダ）などの関連規格、および／またはその他の国または地域の規格に準拠した認証システムが求められます。
温度分布は、固有直交分解法または主成分分析に基づくモデルを開発するために使用できます。これにより、少数の空間位置で測定するだけで温度分布を再構築できます [ 6 ]。
分散型温度センシングは、複数の産業分野で効果的に導入できる。
さらに最近では、DTSは環境モニタリングにも応用されている。
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