JP2015031593A - 物理量測定システム及び物理量測定方法 - Google Patents

物理量測定システム及び物理量測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、複数個所の物理量を同時に測定することの可能な物理量測定システム及び物理量測定方法の提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、光スイッチ１３の第１〜第Ｎの入出力ポートに複数のＦＢＧが縦列に接続されたＦＢＧラインを接続し、共通ポートから入力された測定光を光スイッチ１３の各入出力ポートから異なるタイミングで出力し、ＦＢＧライン３０のいずれかのＦＢＧで反射された反射光をＡＷＧ１５で波長ごとに分離し、ＰＤ１６で受光する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のブラッグ回折格子（以下、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）と記載する。）が縦列に接続されたＦＢＧラインを用いて物理量を測定する物理量測定システム及び物理量測定方法に関する。
測定光が入射される光ファイバに一以上のＦＢＧが形成され、各ＦＢＧからの反射波長を測定して各ＦＢＧの位置における温度や歪み等の物理量を測定する物理量測定システムが提案されている。物理量測定システムでは、各ＦＢＧからの反射光をアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）に入射させ、このＡＷＧで分離された各波長の光強度を、受光器を用いて検出する。これにより、ＦＢＧの反射波長を測定する。
特許文献１の発明は、各受光器の波長感度がほぼ直線的であるような波長範囲を用い、２次関数を用いて波長測定を行う。これにより、ＡＷＧの波長チャネル間隔よりも高い精度でＦＢＧの反射波長を測定することを可能にする。
特許文献２の発明は、隣接する波長チャネルの光強度を用いて、反射波長が長波長側にシフトしたのか短波長側にシフトしたのかを判定する。これにより、特許文献２の発明は、ＦＢＧの反射波長がＡＷＧの波長チャネルの中心波長付近である場合であってもＦＢＧの反射波長を正確に測定することを可能にする。
特開２０００−１８０２７０号公報 特開２００８−１５１５７４号公報 特開２００２−３５２３６９号公報
近年、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ−Ｆｉｂｅｒ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）を機体部材に使用した航空機が運用されている。ＣＦＲＰは金属と比較して高強度、軽量の特徴を持つが、衝撃が印加された場合、表面は無傷でも内部に亀裂が入る場合があり、この亀裂が成長して機体強度を低下させる恐れがある。そこでＣＦＲＰ表面に歪センサーとしてＦＢＧを貼り付け、衝撃印加時の歪など、いわゆる動的歪み（動的物理量）をＦＢＧで測定する研究が進められている。機体表面積は広大であるため、もれなく衝撃を検知するためには数十のＦＢＧが必要である。ＦＢＧは、その反射波長をずらしながら、１つのＦＢＧラインに縦列に接続できるが、その数は１０程度である。
そのため、複数のＦＢＧラインを用いて複数個所の物理量をほぼ同時に測定することが要求されている。しかし、特許文献１及び２の発明は、１本のＦＢＧラインの測定を前提としての構成となっているため、複数個所の物理量を同時に測定することはできない。一方、複数のＦＢＧラインを測定する方法として光スイッチによる切り替え法が特許文献３に提案されているが、動的物理量を測定するには波長走査部を一旦停止させて、予めデータ処理部に記憶された校正曲線と比較する手順が必要となり、測定装置や測定手順が複雑となる問題点があった。
そこで、本発明は、複数個所の物理量を同時に測定することの可能な物理量測定システム及び物理量測定方法の提供を目的とする。本発明は、特に動的物理量の測定に好適である。
本願発明の物理量測定システムは、
複数のＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）が縦列に接続されたＦＢＧラインが並列に配置された第１〜第Ｎの入出力ポートに接続可能であり、共通ポートから入力された測定光を各入出力ポートから異なるタイミングで出力する光スイッチ（１３）と、
前記ＦＢＧラインに備わるＦＢＧの少なくともいずれかの反射波長を含む測定光を出射する光源（１２）と、
前記光源からの測定光が前記光スイッチの入出力ポートのいずれかから出力された後に前記ＦＢＧラインのいずれかのＦＢＧで反射された反射光をあらかじめ定められた波長ごとに分離する波長分離器（１５）と、
前記波長分離器で分離された反射光の光強度を前記波長ごとに検出する受光器（１６）と、
を備える。
本願発明の物理量測定システムでは前記光スイッチの前記入出力ポートと前記ＦＢＧラインの間に、前記光スイッチから出力された測定光を前記ＦＢＧラインに入力し、前記ＦＢＧラインからの反射光を前記波長分離器に導く光サーキュレータ（１８）を、さらに備えていてもよい。
本願発明の物理量測定システムでは、前記受光器の検出した反射光の光強度のうちの極大値が得られる波長を検出し、当該極大値及び当該波長に隣接する少なくとも２つの波長の光強度を用いて、前記ＦＢＧの反射波長を算出する反射波長算出部（２０）を、さらに備えていてもよい。
本願発明の物理量測定方法は、
複数のＦＢＧが縦列に接続されたＦＢＧラインを光スイッチの第１〜第Ｎの入出力ポートに接続した状態で、前記ＦＢＧラインに備わるＦＢＧの少なくともいずれかの反射波長を含む測定光を前記光スイッチの共通ポートに入力し、前記光スイッチに入力された測定光を各入出力ポートから異なるタイミングで前記ＦＢＧラインに向けて出力する光出力手順と、
前記測定光が前記ＦＢＧラインのいずれかのＦＢＧで反射された反射光をあらかじめ定められた波長ごとに分離し、分離された反射光の光強度を前記波長ごとに検出する受光手順と、
を順に有する。
本願発明の物理量測定方法では、 前記光スイッチの前記入出力ポートと前記ＦＢＧラインの間に光サーキュレータを挿入し、前記光出力手順において、前記光サーキュレータを介して前記光スイッチから出力された測定光を前記ＦＢＧラインに入力し、前記受光手順において、前記光サーキュレータを介して前記ＦＢＧラインからの反射光を前記波長分離器に導いてもよい。
本願発明の物理量測定方法では、前記受光手順において、検出した反射光の光強度のうちの極大値が得られる波長を検出し、当該極大値及び当該波長に隣接する少なくとも２つの波長の光強度を用いて、前記ＦＢＧの反射波長を算出してもよい。
本発明によれば、複数個所の物理量を同時に測定することの可能な物理量測定システム及び物理量測定方法を提供することができる。
本発明の第１の実施形態に係る物理量測定システムの一例を示す。 光スイッチの一例を示す。 情報処理部１７から制御ＰＣ２０へ出力されるデータの一例であり、（ａ）は波長チャネルｃｈ１を示し、（ｂ）は波長チャネルｃｈ２を示し、（ｃ）は波長チャネルｃｈ４８を示す。 本発明の第２の実施形態に係る物理量測定システムの一例を示す。 ＦＢＧセンサモニタからＦＢＧまでの距離を示す。 サンプリング処理部２１に入力されるデータの一例を示す。 図４に示す１つのＦＢＧライン３０あたりのサンプリング例を示す。 時刻ｔ３におけるｃｈ１〜ｃｈ４８の反射光レベルの一例を示す。 本発明の第１の実施形態に係る光スイッチの切り替えとＦＢＧライン＃１とＦＢＧライン＃２からの反射光レベルの関係の一例を示す。 本発明の第２の実施形態に係る光スイッチの切り替えとＦＢＧライン＃１とＦＢＧライン＃２からの反射光レベルの関係の一例を示す。
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
（第１の実施形態）
図１に、本実施形態に係る物理量測定システムの一例を示す。本実施形態に係る物理量測定システムは、ＦＢＧセンサモニタ１０と、反射波長算出部としての制御ＰＣ２０を備える。ＦＢＧセンサモニタ１０は、複数のＦＢＧライン３０へ測定光を入力し、各ＦＢＧライン３０からの反射光を受光して、受光信号を制御ＰＣ２０へ出力する。
ＦＢＧセンサモニタ１０は、ＬＤドライバ１１と、光源として機能するＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）１２と、光スイッチ１３と、ドライバ１４と、波長分離器として機能するＡＷＧ１５と、受光器として機能するＰＤ１６と、情報処理部１７と、サーキュレータ１８を備える。本実施形態では、一例として、光スイッチ１３が１×８ポートを有し、ＡＷＧ１５の波長チャネルが４８ｃｈであり、ＰＤ１６が２４ｃｈである場合について説明する。
なお、ＳＬＤ１２は、特開平８−８８４３６に開示されているような、ＡＳＥ光源を用いても良い。波長分離器とＰＤは、特開２００４−５６７００に開示されているような、回折格子と反射鏡とフォトダイオードアレイによる分光器で構成してもよい。
光スイッチ１３は、図２のように共通ポートに対し、外部からの印加電圧によって接続先を第１ポートから第Ｎポートまでの入出力ポートの一つに切り替えられる特性を持つものである。特に本発明ではスイッチング時間が１０ナノ秒以下と、高速性に優れるニオブ酸リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）光導波路、または、ランタン添加チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＬＺＴ）光導波路を使用した光スイッチが好適である。本明細書では共通ポートにサーキュレータ１８が接続され、第１〜第８の入出力ポートにＦＢＧライン３０が接続され、第１〜第８のいずれかの入出力ポートを共通ポートと接続する。ＦＢＧライン３０は、光ファイバに複数のＦＢＧが縦列に接続されている。ドライバ１４は、情報処理部１７からの指示に応じて、光スイッチ１３の共通ポートと接続される第１〜第８の入出力ポートを順次切り替える。これにより、光スイッチ１３は、共通ポートから入力された測定光を各ＦＢＧライン３０に異なるタイミングで入力する。
本実施形態に係る物理量測定方法を説明する。本実施形態に係る物理量測定方法は、光出力手順と、受光手順と、を順に有する。
光出力手順では、ＦＢＧモニタ１０が、測定光をＦＢＧライン３０に入射する。このとき、ＬＤドライバ１１がＳＬＤ１２を駆動する。ＳＬＤ１２は、ＦＢＧライン３０に備わるＦＢＧの少なくとものいずれかの反射波長が含まれた測定光を生成する。ＳＬＤ１２からの測定光は、サーキュレータ１８に入射され、サーキュレータ１８から光スイッチ１３に入射される。光スイッチ１３は、ドライバ１４からの駆動に従い、第１〜第８の入出力ポートから異なるタイミングで順次測定光を出力する。ＦＢＧライン３０に入射された光は、各ＦＢＧで反射される。ＦＢＧライン３０に備わるＦＢＧの数は任意である。
受光手順では、ＦＢＧモニタ１０が、測定光がＦＢＧライン３０で反射された反射光の光強度を検出する。このとき、ＦＢＧライン３０で反射された反射光は、光スイッチ１３の第１〜第８の入出力ポートに入力され、共通ポートから出力される。光スイッチ１３から出力された反射光はサーキュレータ１８に入力され、サーキュレータ１８からＡＷＧ１５に入力される。ＡＷＧ１５は、反射光をあらかじめ定められた波長の４８ｃｈに分離してＰＤ１６に出力する。ＰＤ１６は、４８ｃｈの各波長チャネルの反射光の光強度を検出する。情報処理部１７は、ＰＤ１６の検出した光強度を、波長チャネルごとに制御ＰＣ２０へ出力する。
図３は、情報処理部１７から制御ＰＣ２０へ出力されるデータの一例であり、（ａ）は波長チャネルｃｈ１を示し、（ｂ）は波長チャネルｃｈ２を示し、（ｃ）は波長チャネルｃｈ４８を示す。時刻ｔ１に光スイッチ１３がＦＢＧライン３０＃１に出力し、時刻ｔ２に光スイッチ１３がＦＢＧライン３０＃２に出力し、以下、順に（・・・）時刻ｔ８に光スイッチ１３がＦＢＧライン３０＃８に出力した場合を示す。
制御ＰＣ２０は、時刻ｔ１における各波長チャネルｃｈ１〜ｃｈ４８の光強度を解析することで、ＦＢＧライン３０＃１に備わる各ＦＢＧの反射波長を測定することができる。ＦＢＧライン３０＃２〜３０＃８についても、ＦＢＧライン３０＃１と同様に、時刻ｔ２〜ｔ８における各波長チャネルｃｈ１〜ｃｈ４８の光強度を解析することで、ＦＢＧライン３０＃２〜３０＃８に備わる各ＦＢＧの反射波長を測定することができる。
（第２の実施形態）
図４に、本実施形態に係る物理量測定システムの一例を示す。本実施形態に係る物理量測定システムは、光サーキュレータ１８が、光スイッチ１３とＦＢＧライン３０の間に挿入されている。本実施形態では、光サーキュレータ１８は、光スイッチ１３の入出力ポートごとに備わる。
ＳＬＤ１２から出力された測定光は光スイッチ１３に入力される。光スイッチ１３は、第１〜第８の各入出力ポートから順次測定光を出力する。各サーキュレータ１８は、光スイッチ１３から出力された測定光をＦＢＧライン３０に出力する。
ＦＢＧライン３０からの反射光は、サーキュレータ１８に入力され、サーキュレータ１８から光カプラ１９に入力される。本実施形態では、１×８の光スイッチ１３を用いているため、８×１の光カプラ１９を用いる。光カプラ１９は、いずれかのサーキュレータ１８から出力された反射光をＡＷＧ１５に出力する。ＡＷＧ１５以降の動作は、第１の実施形態で説明したとおりである。
なお、光スイッチ１３によっては、偏波依存性を有する場合があり、特に前述のニオブ酸リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）光導波路型光スイッチではそれが多い。例えば、Ｐ偏光にのみ光スイッチとして機能するが、Ｓ偏光に対しては単なる光カプラとして機能する場合がある。ＳＬＤ１２の偏波消光比が十分にあり、その出力用ファイバが偏波保持ファイバであれば、光スイッチ１３の共通ポートに入射する光の偏波は常にＰ偏光とすることができるが、ＦＢＧライン３０から反射された光の偏波は不確定である。従って、ＦＢＧライン３０から反射された光をそのまま光スイッチ１３に入射させた場合には、光スイッチ１３が光スイッチとして機能する保証はない。しかしながら、本実施形態では光スイッチ１３を介さずに反射光をＡＷＧ１５に導くため、反射光は光スイッチ１３の偏波依存性の影響を受けない。このため、光スイッチ１３が偏波依存性を有する場合であっても、ＦＢＧライン３０に備わるＦＢＧの反射波長を正確に検出することができる。
さらに第一の実施形態では図５と図９に示すようにＦＢＧセンサモニタからＦＢＧライン上の最遠端に位置するＦＢＧまでの測定可能な距離（ＦＢＧセンサモニタからＦＢＧラインの最初のＦＢＧまでの距離Ｌ１と、ＦＢＧライン上の最初のＦＢＧから最後［最遠端］までのＦＢＧの距離Ｌ２の和）は、ＦＢＧからの反射光が光スイッチを再び通過する必要があるため、次式を満たす必要がある。
（数１）
ＴＭ＝ＴＳ−２ｎ（Ｌ１＋Ｌ２）／ｃ （１）
ここでＴＭは測定時間、ＴＳは１つのＦＢＧラインあたりの割り当て時間、ｎはファイバの屈折率、ｃは光速である。測定を実行するには、ＴＭ＞０である必要があるため、
Ｌ１＋Ｌ２＜ＴＳ×ｃ／（２ｎ）
一方、第二の実施形態ではＦＢＧライン３０からの戻り光が光スイッチ１３を通過しない。よって図１０に示すようにＬ１が既知であれば、その伝搬時間分、情報処理部１７において、次の第３の実施形態で述べるような演算処理の開始をずらすことが出来、次式を満たせばよくなり、測定できる最長距離を伸ばすことが出来る。
（数２）
Ｌ２＜ＴＳ×ｃ／（２ｎ） （２）
（第３の実施形態）
本実施形態では、制御ＰＣ２０の構成について説明する。図１及び図４に示すように、制御ＰＣ２０は、サンプリング処理部２１と、トリガリング処理部２２と、記憶部２３と、アプリケーションプログラム処理部２４を備える。
図６に、サンプリング処理部２１に入力されるデータの一例を示す。図６では、データの一例として、１つのＰＤ１６から出力されるデータを示す。光スイッチ１３の第１〜第８の入出力ポートの切り替えに同期して、各ＦＢＧライン３０からの反射光レベルが入力される。１つのＦＢＧライン３０の間隔は、光スイッチ１３の切り替え時間の設定によるが、例えば、１．２４μｓとすることができる。
サンプリング処理部２１は、入力されたデータをサンプリングする。図７に、図６に示す１つのＦＢＧライン３０あたりのサンプリング例を示す。１つのＦＢＧライン３０あたりの反射光レベルは、末広がりの台形のような形になる。そこで、トリガリング処理部２２は、白丸で示された末広がりの部分のサンプリングポイントｐｄを廃棄し、それらに挟まれた黒丸で示されたほぼ平坦な部分のサンプリングポイントｐｕを採用する。
これにより、今まで、実際の光スイッチが持つスイッチング時間による誤差や、導通時の接続損失の変動（リンキング）によって生じていた誤差を低減できるようになり、測定精度が大幅に向上する。
記憶部２３は、トリガリング処理部２２の採用したサンプリングポイントｐｕを、時刻などの光スイッチ１３の入出力ポート、及び、ＰＤ１６の波長チャネルと関連付けて記憶する。このとき、記憶部２３は、複数のサンプリングポイントｐｕを平均化処理した後の反射光レベルを記憶してもよい。アプリケーションプログラム処理部２４は、記憶部２３に記憶されている各ＰＤ１６で検出された反射光レベルを用いて、各ＦＢＧライン３０に備わるＦＢＧの反射波長を算出する。
アプリケーションプログラム処理部２４は、記憶部２３から、共通のＦＢＧライン３０に関連付けて記憶されている各ＰＤ１６の反射光レベルを読み出す。例えば、図３に示す時刻ｔ３におけるｃｈ１〜ｃｈ４８の反射光レベルを読み出す。図８に、時刻ｔ３におけるｃｈ１〜ｃｈ４８の反射光レベルの一例を示す。１つのＦＢＧライン３０に１０個のＦＢＧが接続され、各ＦＢＧの反射波長が４８個のＰＤ１６の受光範囲内である場合、４８ｃｈの波長チャネルの中には、極大となる波長チャネルが１０個存在する。それぞれの極大波長チャネルの波長を用いれば、各ＦＢＧライン３０に備わる各ＦＢＧの反射波長を測定することができる。
本実施形態では、受光手順において、検出した反射光の光強度のうちの極大値が得られる波長チャネルを検出し、当該極大値及び当該波長チャネルに隣接する少なくとも２つの波長チャネルの光強度を用いて、ＦＢＧの反射波長を算出する。例えば、波長λＰに相当する波長チャネルｃｈ−ｐ３に極大波長チャネルが存在し、その反射光レベルがｙ０であり、これに隣接するチャネルｃｈ−（ｐ３−１）及びｃｈ−（ｐ３＋１）の反射光レベルがそれぞれｙ−１及びｙ＋１であり、波長チャネルの波長間隔がｗである場合、次式を用いて反射波長λＦＢＧを求めることができる。
Figure 2015031593
波長チャネルｃｈ−ｐ３と同様に、１０本の各ＦＢＧの反射波長λＦＢＧを求める。これにより、１つのＦＢＧライン３０に備わる各ＦＢＧの反射波長λＦＢＧを求めることができる。なお、本実施形態では、隣接する２つの波長チャネルを用いたが、極大波長チャネルの存在する２以上の波長チャネルを用いて反射波長λＦＢＧを求めてもよい。その場合はλＦＢＧの精度が向上する。
時刻ｔ３と同様の処理を各時刻において行うことで、光スイッチ１３の第１〜第８の入出力ポートに接続された各ＦＢＧライン３０に備わるすべてのＦＢＧの反射波長λＦＢＧを求めることができる。
本発明は航空機・宇宙ロケット産業、自動車産業、造船産業等に適用することができる。特に広い範囲にわたり、物体衝突による衝撃波の測定や、超音波領域の振動測定を実現したことに特徴を有する。
１０：ＦＢＧセンサモニタ
１１：ＬＤドライバ
１２：ＳＬＤ
１３：光スイッチ
１４：ドライバ
１５：ＡＷＧ
１６：ＰＤ
１７：情報処理部
１８：サーキュレータ
１９：光カプラ
２０：制御ＰＣ（反射波長算出部）
２１：サンプリング処理部
２２：トリガリング処理部
２３：記憶部
２４：アプリケーションプログラム処理部

Claims (6)

  1. 複数のＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）が縦列に接続されたＦＢＧラインが並列に配置された第１〜第Ｎの入出力ポートに接続可能であり、共通ポートから入力された測定光を各入出力ポートから異なるタイミングで出力する光スイッチ（１３）と、
    前記ＦＢＧラインに備わるＦＢＧの少なくともいずれかの反射波長を含む測定光を出射する光源（１２）と、
    前記光源からの測定光が前記光スイッチの入出力ポートのいずれかから出力された後に前記ＦＢＧラインのいずれかのＦＢＧで反射された反射光をあらかじめ定められた波長ごとに分離する波長分離器（１５）と、
    前記波長分離器で分離された反射光の光強度を前記波長ごとに検出する受光器（１６）と、
    を備える物理量測定システム。
  2. 前記光スイッチの前記入出力ポートと前記ＦＢＧラインの間に、前記光スイッチから出力された測定光を前記ＦＢＧラインに入力し、前記ＦＢＧラインからの反射光を前記波長分離器に導く光サーキュレータ（１８）を、
    さらに備える請求項１に記載の物理量測定システム。
  3. 前記受光器の検出した反射光の光強度のうちの極大値が得られる波長を検出し、当該極大値及び当該波長に隣接する少なくとも２つの波長の光強度を用いて、前記ＦＢＧの反射波長を算出する反射波長算出部（２０）を、
    さらに備える請求項１又は２に記載の物理量測定システム。
  4. 複数のＦＢＧが縦列に接続されたＦＢＧラインを光スイッチの第１〜第Ｎの入出力ポートに接続した状態で、前記ＦＢＧラインに備わるＦＢＧの少なくともいずれかの反射波長を含む測定光を前記光スイッチの共通ポートに入力し、前記光スイッチに入力された測定光を各入出力ポートから異なるタイミングで前記ＦＢＧラインに向けて出力する光出力手順と、
    前記測定光が前記ＦＢＧラインのいずれかのＦＢＧで反射された反射光をあらかじめ定められた波長ごとに分離し、分離された反射光の光強度を前記波長ごとに検出する受光手順と、
    を順に有する物理量測定方法。
  5. 前記光スイッチの前記入出力ポートと前記ＦＢＧラインの間に光サーキュレータを挿入し、
    前記光出力手順において、前記光サーキュレータを介して前記光スイッチから出力された測定光を前記ＦＢＧラインに入力し、
    前記受光手順において、前記光サーキュレータを介して前記ＦＢＧラインからの反射光を前記波長分離器に導く、
    請求項４に記載の物理量測定方法。
  6. 前記受光手順において、検出した反射光の光強度のうちの極大値が得られる波長を検出し、当該極大値及び当該波長に隣接する少なくとも２つの波長の光強度を用いて、前記ＦＢＧの反射波長を算出する、
    請求項４又は５に記載の物理量測定方法。
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