JP5824393B2

JP5824393B2 - 発光位置特定システム

Info

Publication number: JP5824393B2
Application number: JP2012068770A
Authority: JP
Inventors: 裕之津端; 信也大塚
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; Subaru Corp
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: JP2013200213A

Description

本発明は、航空機の雷撃試験においてスパークによる発光位置を特定する発光位置特定システムに関する。

航空機では、その飛行状態を維持すべく自機の状態を常に監視しており、機体に何らかの不具合が生じた場合には、不具合の原因となる異常箇所を迅速に特定し、その飛行状態が維持できなくなる前に対処しなければならない。

そこで、例えば、機体を構成する複合材の構造部材中に光ファイバを埋め込み、光源から導光された光信号が光検出器に到達しないダメージ部位を検出し、かかるダメージ部位を機体の異常箇所として特定する技術が公開されている（例えば、特許文献１、２）。また、機体の表層面に光ファイバを設け、その透過光強度の変化に応じて機体の損傷位置や損傷度合いを検出する技術が知られている（例えば、特許文献３）。

また、航空機に雷撃を与えた場合の機体の影響を把握したり、耐性を高める改変の効果を確かめるために、航空機に対して雷撃試験が実行される。かかる雷撃試験において雷撃流が機体の構造部を流れると不適切な接合部においてスパーク（光）が発生する。特に燃料タンク等の周囲においてはスパークが生じないよう厳密な試験が必要となる。一方、航空機材料には、近年複合材料が多用されてきており、この複合材の複雑な構造は、雷撃を受けた際の安全性を確認する雷撃試験の負荷を高くする傾向がある。

雷撃を受けた際の防爆を確認する手法としては、雷撃を模擬した電流によって生じるスパークの映像を撮影する方法と、少量の可燃性ガスによる小規模な爆発によって確認する方法がある。しかし、撮影装置は、雷撃に伴う電磁波の影響を避けるために離隔した位置に置く必要がある。

特開昭６３−２０８７４８号公報特開昭６３−２８５４４８号公報特開平９−２７３９０６号公報

このように、撮像装置を用いてスパークを特定する技術では、占有領域の大きい撮像装置を設置する位置の自由度が低く、その外形寸法の大きさ故に、機体に設けられた孔や隙間に挿入することもできない。したがって、雷撃試験を、機体の完成品で行うことができず、機体を組み立てる前の部分単位でしか行うことができなかった。ここで、複雑な構造での雷撃を確認するには、可燃性ガスによる確認を行うことになるが、この場合はスパーク位置を特定することはできなかった。

また、撮像装置は、任意の方向から一様にしか撮像できないので、撮像装置に対して側面や背面となる面に生じるスパークを特定することができなかった。さらに、その分解能も撮像装置の解像度と機体までの距離に依存し、特定精度の向上を図るのが困難であった。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、機体が組み立てられる前または完成後のいずれの状態であっても、機体の様々な部位に生じるスパークを高精度で特定することが可能な発光位置特定システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の発光位置特定システムは、複数の光ファイバと、複数の光ファイバに導かれた光を光電変換し、光強度を振幅で示す振幅信号を生成する光電変換部と、振幅信号を、相異なる周波数信号にそれぞれ乗算する乗算器と、乗算された複数の周波数信号を合成する合成器と、合成された合成信号における特定の周波数信号の有無を判定する周波数信号判定装置と、を備えることを特徴とする。

光ファイバの端部は、予め定められた受光可能角度となるように加工されていてもよい。

本発明によれば、機体が組み立てられる前または完成後のいずれの状態であっても、機体の様々な部位に生じるスパークを高精度で特定することが可能となる。

雷撃試験を説明するための説明図である。光ファイバの設置例を示した翼の断面斜視図である。光ファイバの端部形状を説明するための外観図である。中継装置の具体的な回路を示した回路図である。光ファイバと周波数との対応付けを示した説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（発光位置特定システム１００）
図１は、雷撃試験を説明するための説明図である。図１に示すように、雷撃試験においては、航空機の機体１の表面および内部に発光位置特定システム１００の検出端部（光ファイバー）を設置し、電撃を加える。このとき、機体１に不適切な接合部があった場合、スパークが生じる。ただし、スパークは、接合部のあらゆる位置で生じる可能性があるので、様々な部位において様々な角度でスパークに伴う光を検出しなければならない。

このようなスパークの検出を実現すべく、発光位置特定システム１００は、光ファイバ１１０と、中継装置１２０と、周波数信号判定装置１３０とを含んで構成される。

光ファイバ１１０は、１または複数で束（光ファイバ束）を成し、さらに光ファイバ束も１または複数準備される。各光ファイバ束は機体１を構成する試験対象部位に分岐して配され、そこから各光ファイバが試験対象部位のさらに詳細な部位に分岐して配される。中継装置１２０は、光ファイバ束と同数設けられる。かかる中継装置１２０は、光ファイバ束に含まれる１または複数の光ファイバ１１０に導かれた光を受光し、受光した光を、相異なる周波数信号が合成された合成信号（電気信号）に変換する。周波数信号判定装置１３０は、合成された合成信号における特定の周波数信号の有無を判定する。以下、それぞれの構成を詳細に説明する。

（光ファイバ１１０）
光ファイバ１１０は、ガラスやプラスチックの細い繊維で形成され可撓性を有し、伝送速度の高い光信号をそのまま伝達できる。

仮に、撮像装置を用いてスパークを特定する場合、撮像装置の外形寸法が問題になり、機体を組み立てる前の部分単位でしか電撃試験を行うことができなかった。本実施形態では、その外形寸法を様々に形成することができ、可撓性を有する光ファイバ１１０を用いているので、機体のあらゆる位置、例えば、撮像装置では撮像することができない、機体１に設けられた孔や隙間に挿入することができる。したがって、機体が組み立てられる前または完成後のいずれの状態であっても雷撃試験を行うことが可能である。

また、撮像装置を用いる場合、任意の方向から一様にしか撮像できなかったが、本実施形態の光ファイバ１１０は指向性を有するので、スパークによる光が生じる方向に光ファイバ１１０を向けて設置するだけで、所望する方向の発光を限定的に検出することが可能となる。

図２は、光ファイバ１１０の設置例を示した翼の断面斜視図である。ここでは、機体１の翼２に設けられた貫通孔２ａから翼２の内部空間に光ファイバ束が挿入され、光ファイバ束から分岐した８本の光ファイバ１１０が周方向に等間隔（例えば４５度）となるように固定具１１２に固定されている。こうして、翼２に平行な面上の複数の方向に生じるスパークをいずれかの光ファイバ１１０で排他的に受光できる。また、ここでは、後述する周波数と光ファイバ１１０との対応関係を把握し易いように、周波数と光ファイバ１１０との方向との並び順を合わせている。

さらに、撮像装置では、その分解能も撮像装置の解像度と機体１までの距離に依存していたが、本実施形態の光ファイバ１１０は、その外形寸法を小さくし、数を増やすだけで分解能を上げることができ、上記の可撓性や指向性と合わせて自由度および特定精度の高いスパーク検出が可能となる。

また、光ファイバ１１０の端部は、予め定められた受光可能角度となるように加工される。

図３は、光ファイバ１１０の端部形状を説明するための外観図である。例えば、機体１の一部のみに生じるスパークを検出する場合、図３（ａ）のように、光ファイバ１１０の端部１１０ａを遮蔽物１７０で覆うことで他で生じる光を遮光しつつ、遮蔽物１７０内で生じた発光のみを検出することができる。

また、図３（ｂ）のように、光ファイバ１１０の端部１１０ａに凸レンズ１７２を形成することで、光ファイバ１１０の断面より大きな面のいずれかの部位で生じる発光を検出することができる。さらに図３（ｃ）のように、光ファイバ１１０の端部１１０ａに凹レンズ１７４を形成することで、光ファイバ１１０の断面より小さな面のみに生じる発光を検出することができる。また、光ファイバ１１０の端部形状は、上記した加工に限らず、プリズムを用いる等、既存の様々な技術を適用することもできる。

（中継装置１２０）
図４は、中継装置１２０の具体的な回路を示した回路図であり、図５は、光ファイバ１１０と周波数との対応付けを示した説明図である。中継装置１２０は、光電変換部１２２と、発振部１２４と、乗算器１２６と、合成器１２８とを含んで構成される。

光電変換部１２２は、例えば、フォトトランジスタ等の受光素子で構成され、光ファイバ束における１または複数の光ファイバ１１０に導かれた光を光電変換し、光強度を振幅で示す振幅信号を生成する。したがって、スパークの光強度が小さい場合は振幅信号の振幅が小さくなり、光強度が大きい場合は振幅信号が大きくなる。

発振部１２４は、振幅は等しいが周波数が相異なる複数の周波数信号を生成する。かかる周波数信号は、発生周波数が異なる発振器を用いて生成してもよいし、複数の分周器により１の発振器を分周して生成してもよい。また、利用する周波数帯域は、例えば、１０〜１００ＭＨｚとし、対数的に１００分割した周波数を用いる。

乗算器１２６は、光電変換部１２２で光電変換された複数の振幅信号と、発振部１２４で生成された複数の周波数信号とをそれぞれ１対１に対応させて乗算する（ＡＭ変調）。このように周波数信号は振幅信号の数以上準備され、異なる光ファイバ１１０に基づく振幅信号には、異なる周波数信号が乗じられる。したがって、光ファイバ１１０に付されたそれぞれの識別子１８０と周波数１８２とは、図５に示すように対応付けることができる。

合成器１２８は、乗算器１２６で乗算された複数の周波数信号を全て合成し、合成信号を生成する。

本実施形態では、光電変換部１２２の数を増加させるか、もしくは、中継装置１２０を増加させることで容易に光ファイバ１１０の数を増やすことができ、高い分解能で雷撃試験を行うことができる。また、中継装置１２０では、光ファイバ１１０に導かれた光を電気信号として多重化しているので、中継装置１２０の出力は、光電変換部１２２に接続された光ファイバ１１０の数に拘わらず１の合成信号であり、低コストかつ効率的に雷撃試験を行うことが可能となる。

（周波数信号判定装置１３０）
周波数信号判定装置１３０は、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）装置やオシロスコープ等で構成され、合成器１２８で合成された合成信号から、例えば特定の周波数を中心とする所定帯域のＢＰＦ（Band Pass Filter）を用いて特定の周波数信号のみ抽出する。そして、その周波数信号の振幅が所定の閾値以上であることをもって、その特定の周波数信号が有る、即ち、図５において、その周波数信号の周波数に対応した光ファイバ１１０の位置でスパークが発生したことを把握する。

ここで、所定帯域は、発振部１２４で生成される異なる複数の周波数信号のうち、特定の周波数信号に隣接する周波数信号と、当該特定の周波数信号とが識別可能となる周波数幅である。また、所定の閾値は、航空機の認証試験で定められているエネルギー（例えば、２００マイクロジュール：ガスの発火エネルギー）の光強度に相当する周波数信号の振幅である。

こうして、例えば、オシロスコープを用いた場合、現実的なチャンネル数内で一度に多数のスパークを特定することができ、また、ＦＦＴ装置を用いた場合、任意の時点に複数の部位で生じたスパークを、その光強度を比較できる状態で把握することができる。ここでは、ＦＦＴ装置やオシロスコープを挙げているが、合成信号における特定の周波数信号の有無さえ判定できれば、既存のあらゆる電気機器を適用することが可能である。

以上、説明したように本実施形態の発光位置特定システム１００では、機体１が組み立てられる前または完成後のいずれの状態であっても、雷撃試験を行うことができ、光ファイバ１１０の外形寸法や数を調整することで、分解能を容易に高めることができる。したがって、機体１の様々な部位で生じるスパークを高精度で特定することが可能となる。

また、複数の部位の複数の角度のスパークを同時かつリアルタイムに取得できるので、雷撃を与えた場合の機体１の影響を迅速に把握したり、耐性を高める改変の効果を迅速に確かめることが可能となる。

さらに、本実施形態では、光ファイバ束から分岐した複数の光ファイバ１１０の間に相当する位置でスパークが生じた場合であっても、光ファイバ１１０の受光可能角度によっては、複数の光ファイバ１１０全てでそのスパークの光を受光できる。したがって、複数の光ファイバ１１０に対応する周波数信号の振幅から、そのスパークの大きさおよび位置を特定することも可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、航空機の雷撃試験においてスパークによる発光位置を特定する発光位置特定システムに利用することができる。

１ …機体
１００ …発光位置特定システム
１１０ …光ファイバ
１１０ａ …端部
１２２ …光電変換部
１２６ …乗算器
１２８ …合成器
１３０ …周波数信号判定装置

Claims

複数の光ファイバと、
前記複数の光ファイバに導かれた光を光電変換し、光強度を振幅で示す振幅信号を生成する光電変換部と、
前記振幅信号を、相異なる周波数信号にそれぞれ乗算する乗算器と、
乗算された複数の周波数信号を合成する合成器と、
合成された合成信号における特定の周波数信号の有無を判定する周波数信号判定装置と、
を備えることを特徴とする発光位置特定システム。
前記光ファイバの端部は、予め定められた受光可能角度となるように加工されていることを特徴とする請求項１に記載の発光位置特定システム。