JPH04132918A - 光導波路分布圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、光導波路を利用した分布膨圧カセンサに関す
るものである。

〈従来の技術〉 従来この種の圧力センサとしては、第３図に示すものが
知られている。

同図に示すように、光源１０１から出力された光は、光
ファイバ１０２を通って圧力センサ部１０３に入力され
る。圧力センサ部１０３において、入力した光はロッド
レンズ１０４によリコリメートされ、更に偏光子＋０５
により単一偏波の光となり、光弾性素子１０６に入力す
る。光弾性素子１０６は圧力１１３が加わつると、光弾
性効果により復屈折性が生じるため、光弾性素子１０６
からは、楕円偏光の光が出力される。但し、光弾性素子
１０６に入射する光の偏波は、圧力の加わる方向に対し
て４５°ａいているものとする。

光弾性素子１０６から出力される楕円光は、４／λ板１
０７、検光子１０８、ロッドレンズ１０９を通って、光
ファイバ１１０に入力される。

光ファイバ１１０からの出力は光受信機１１１で受光さ
れ、信号処理回路１１２に入力される。

信号処理回路１１２では、次に示す（１）　（２）式の
関係に基づいて、光の強度から圧力の大きさを求める。

圧力と光強度の関係は次式（１）で示される。

Ｐ　ｏａｔ＝Ｐ　ａ（１＋５ｉｎ（πＴ　／　Ｔ　、）
）　　・・・（１）但し、Ｐ、は圧力の加わっていない
ときの光出力、Ｔは単位面積当たりの応力、Ｔｏは半波
長応力である。半波長２力Ｔ。は次式（２）で示される
。

Ｔ、＝　λ。（Ｃ−Ｌ）　　　・・・（２）但し、λ。

は光の波長、Ｃは光弾性率、Ｌは光路長である。

〈発明が解決しようとする課題〉 このように従来では、光弾性効果による復屈折性を利用
して、圧力センサ部１０３おいて、光弾性素子１０６を
通過する際の偏波の回転から圧力を求めている。

しかし、従来の技術では、光弾性素子１０６を多段に接
続しても、どの地点で圧力を受けたのか、判別すること
ができなかった。

この為、従来では結局、１箇所の地点の圧力しか測定で
きなかった。

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、
多くの地点の圧力分布を測定することができ、測定分解
能の高い分布形圧カセンサを提供することを目的とする
。

〈課題を解決するための手段〉 斯かる目的を達成する本発明の構成はコヒーレントパル
ス光源と、センシング用光導波路と、光結合器と、光検
出器アレイ及びニューラルネットワークとからなる先導
波路分布圧力センサにおいて、 前記コヒーレントパルス光源は前記センシング用光導波
路中に複数のモードを励振することができるコヒーレン
ト光を出射する機能を有し、前記センシング用光導波路
は外部から加わる圧力に応じて導波するコヒーレント光
のモード分布の変換を誘起し、且つ、各通過位置で後方
散乱光を生じる性質を有し、 前記光結合器は前記コヒーレントパルス光源からのコヒ
ーレント光を前記センシング用光導波路に導くと同時に
前記センシング用光導波路からの後方散乱光を光検出器
アレイに導く機能を有し、 前記光検出器アレイは前記光結合器からの後方散乱光を
電気信号に変換し、且つ、その強度分布及びその時間変
化を検出する機能を有し、前記ニューラルネットワーク
は前記光検出器アレイからの前記電気信号を受け、予め
学習した後方散乱光の電気信号と前記圧力との関係に基
づいて、前記電気信号を前記圧力分布に変換する特性を
有することを特徴とする。

〈作用〉 本発明では、複数のモードが伝搬可能な光導波路を用い
、その光導波路中にスペックルパターンが生じるように
コヒーレント光を入力し、光導波路中のそれぞれの位置
における後方散乱光のスペックルパターンの時間変化を
光検出器アレイで受光し、ニューラルネットワークに入
力し、かかるニューラルネットワークの処理により測定
対象となる圧力の分布を求める。

〈実施例〉 以下、本発明について、図面に示す実施例を参照して詳
細に説明する。

第１図に本発明の第一の実施例を示す。同図に示す本実
施例の光導波路分布圧力センサは、センシング用光導波
路５中に複数のモードを励振することができるコヒーレ
ント光を出射するコヒーレントパルス光源１と、外部か
ら加わる圧力に応じて導波するコヒーレント光のモード
分布の変換を誘起し、且つ、各通過位置で後方散乱光を
生じるセンシング用光導波路５と、コヒーレントパルス
光源１からのコヒーレント光を前記センシング用光導波
路５に導くと同時に前記センシング用光導波路５からの
後方散乱光を光検出器アレイ８に導く光結合器４と、光
結合器４からの後方散乱光を電気信号に変換し、且つ、
その強度分布及びその時間変化を検出する光検出器アレ
イ８と、光検出器アレイ８からの電気信号を受け、予め
学習した後方散乱光の電気信号と前記圧力との関係に基
づいて、電気信号をその圧力分布に変換するニューラル
ネットワーク９等から構成されている。

従って、コヒーレントパルス光源１から出力されたコヒ
ーレントな光パルス２は入力用光導波路３に入射され、
光結合器４で屈折してセンシング用光導波路５に伝搬光
ｌＯとして伝搬する。ここで、伝搬光１ｏとして伝搬す
る光パルス２によりセンシング用光導波路５中には、ス
ペックルパターンが生じる。ここで、センシング用光導
波路５を伝搬する伝搬光１０が、センシング用光導波路
５に加わる圧力１２により影響を受けると、センシング
用光導波路５中でのスペックルパターンに変化が生じる
。

圧力によるスペックルパターンの変化は、次のように説
明することができる。

センシング用光導波路１５に圧力１２が加わることより
、光導波路に局所的に微少な曲がりを生じる。曲がった
導波路でも光は直進するため、伝搬角度は変化し、モー
ド変換が生じる。

また、曲がった導波路中では、各モード間の光路長差が
変化するので、スペックルは回転する。

このように、モード変換とスペックルの回転によりスペ
ックルパターンは変化する。

一方、伝搬光１０はセンシング用光導波路５中の各通過
位置において散乱光を発生する。この散乱光の一部は、
後方散乱光として伝搬光１０と反対方向即ち入射方向に
伝搬する。この後方散乱光はスペックルパターンを含み
、光結合器３、出力用光導波路６を通過して、出力光７
として出射する。出力用光導波路６から出力された出力
光７は、光検出器アレイ８により受光される。光検出器
アレイ８はサブ光検出器を縦横に平面的に配列したもの
であり、出力光７である後方散乱光を電気信号に変換し
、その強度分布及びその時間変化を検出する。光検出器
アレイ８からの電気信号は、ニューラルネットワーク９
に入力される。ニューラルネットワーク９は光検出アレ
イ８から送られてくる時間変化する信号を保存し、且つ
、読み出す機能を持つている。

ニューラルネットワーク９は、良く知られているように
、内部のパラメータを適当に設定することにより、ニュ
ーラルネットワークへの入力信号とニューラルネットワ
ークからの出力信号の関係を自在に設定することができ
る。

また、ニューラルネットワークは、連想や認識のような
機能に見られるように、入力信号の僅かな変化に対して
出力信号を変化しないようにすることも可能であり、逆
に、入力信号に対して敏感に出力信号を反応させること
も可能である。

更に、学習機能により、幾つかの入出力信号の組合せを
ニューラルネットワークに例示することにより、自動的
に内部パラメータを変化させて、所望の入出力関係を有
するようにすることもできる。また、強度分布の時間変
化から圧力の変化した位置も知ることができ、分布形の
センサを構成できる。

従って、測定対象である圧力１２の変化に対して先導波
路６から出力される出力光７の強度分布の時間的変化を
ニューラルネットワーク９に予め学習させることにより
、分布形センサを構成することができる 尚、このような構成から光検出器アレイ８を取り除いて
、ニューラルネットワーク全光構成とすることもできる
。

このように構成した場合、光ノくルス２がセンシング導
波路４に入力してから、時間ｔだけ経過した時に、光検
出器アレイ８で受光される後方散乱パターンは、センシ
ング導波路５の入力端からｔ−Ｃ，／２の位置で発生し
た後方散乱パターンによるものである。但し、Ｃ１はセ
ンシング導波路５内を伝搬する光の速度である。

つまり、ある瞬間に光検出器アレイ８によって受光され
る光パターンは、これに対応する位置を通過する光パル
スのモード分布の情報を含むことになる。

従って、時間と共に変化する上記受光ノくターンをニュ
ーラルネットワーク９によって逐次解析すれば、センシ
ング導波路５を通過する光、（ルスのモード分布と、そ
の通過位置の関係が判り、ひいては測定対象である圧力
によって引き起こされるモード変換の位置と、その大き
さを同時に検出することができる。

また、こうしたモード変換の発生位置と、その大きさを
ニューラルネットワークで更に処理することにより、測
定対象となる圧力の大きさと、その位置を知ることがで
きる。

次に、第２図を参照して本発明の第二の実施例を説明す
る。

本実施例の先導波路分布圧力センサは、コヒーレントパ
ルス光源ｌ、レンズ１３．１７、光方向性結合器１４、
光ファイバ１５、光検出アレイ１８及びニューラルネッ
トワーク９から構成されている。

従って、コヒーレントパルス光源１から出力されたコヒ
ーレント光は、レンズ１３によりコリメートされ、光方
向性結合器１４で反射して光ファイバ１５を伝搬する。

ここで、コヒーレントパルス光源１から出力されるコヒ
ーレント光の波長は、光ファイバ１５のカットオフ波長
よりも短い波長とする。この為、光ファイノ（１５中で
は、多くのモードが励振される。光ファイバ１５を伝搬
する伝搬光は、側圧１６を受ける部分で局所的に大きな
モード変換を受ける。

この為、光フアイバ１５中の任意の位置でのスペックル
パターンは、例えば１９−１．１９−２．１９−３に示
すように変化する。このように側圧を受けるとスペック
ルパターンは大きく変形する。光ファイバを伝搬する光
の一部はレーり散乱により伝搬方向と反対方向に後方散
乱光として伝搬する。この後方散乱光にスペックルパタ
ーンが含まれる。

後方散乱光は、光方向性結合器１４を通過し、レンズ１
７でコリメートされて光検出器アレイ１８に入力する。

光検出器アレイ１８から時間変化を伴うスペックルパタ
ーンがニューラルネットワーク９に出力される。ニュー
ラルネットワーク９は、光検出器アレイ１８から送られ
る時間的に変化する信号を保存し、且つ、読み出す機能
を有し、更に、側圧の変化及び側圧の加わる光ファイバ
１５の位置に対応したスペックルパターンを予め学習し
て記憶する機能を有する。この為、ニューラルネットワ
ーク９では、このような学習結果に基づき時間変化を伴
うスペックルパターンから、光ファイバ１５の側圧を受
けた位置及びその大きさを求める。

尚、光検出器アレイの１エレメントである各光検出器の
強度から直接に側圧の大きさを求めることは困難である
。それは、スペックルパターンと側圧との関係は簡単な
関係式、例えば線型関数で表すことができず、計算によ
り求めることはできないからである。

しかし、本発明では、ニューラルネットワークの学習機
能により光ファイバ１５に加わる側圧と光ファイバ１５
から出力されるスペックルパターンの関係を予め学習さ
せておくので、簡単に側圧を高分解能で検出することが
できる。

〈発明の効果〉 以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発
明は複数のモードが伝搬可能な先導波路をセンシング部
分として使用し、光導波路の後方散乱光のスペックルパ
ターンの時間的な変化を光検出器で受光し、ニューラル
ネットワークに入力し、ニューラル処理を施すことによ
り、圧力の変化を測定し、且つ、その位置も知ることが
できる。

このように本発明は後方散乱光の先導波路中の強度分布
の情報に対してニューラル処理を施すので、光弾性効果
を用いて一つの地点の圧力を測定していた従来に比較し
、多くの地点の圧力分布を測定でき、且つ、圧力分解能
を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例に係る光導波路分布圧力
センサの構成図、第２図は本発明の第二の実施例に係る
先導波路分布圧力センサの構成図、第３図は、従来の光
ファイバを用いた圧力センサの構成図である。 図面中、 ■はコヒーレントパルス光源、 ２は光パルス、 ３は入力用光導波路、 ４は光結合器、 ５はセンシング用光導波路、 ６は出力用光導波路、 ７は出力光、 ８．１８は光検出器アレイ、 ９はニューラルネットワーク、 １０は伝搬光、 １１は後方散乱光、 １２は圧力、 １３．１７はレンズ、 １４は光方向性結合器、 １５は光ファイバ １６は側圧、 １９−１．１９−２．１９−３はスペックルパターンで
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 コヒーレントパルス光源と、センシング用光導波路と、
   光結合器と、光検出器アレイ及びニューラルネットワー
   クとからなる光導波路分布圧力センサにおいて、 前記コヒーレントパルス光源は前記センシング用光導波
   路中に複数のモードを励振することができるコヒーレン
   ト光を出射する機能を有し、前記センシング用光導波路
   は外部から加わる圧力に応じて導波するコヒーレント光
   のモード分布の変換を誘起し、且つ、各通過位置で後方
   散乱光を生じる性質を有し、 前記光結合器は前記コヒーレントパルス光源からのコヒ
   ーレント光を前記センシング用光導波路に導くと同時に
   前記センシング用光導波路からの後方散乱光を光検出器
   アレイに導く機能を有し、 前記光検出器アレイは前記光結合器からの後方散乱光を
   電気信号に変換し、且つ、その強度分布及びその時間変
   化を検出する機能を有し、前記ニューラルネットワーク
   は前記光検出器アレイからの前記電気信号を受け、予め
   学習した後方散乱光の電気信号と前記圧力との関係に基
   づいて、前記電気信号を前記圧力分布に変換する特性を
   有することを特徴とする光導波路分布圧力センサ。