(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゾーン内の燃焼パラメータを測定するための装置であって、
選択波長の光の伝送ビームを生成するレーザーと、
前記レーザーに光学的に結合されたマルチモード送光ファイバと、
前記伝送ビームを前記ゾーン内に伝送させるための、前記マルチモード送光ファイバに光学的に結合された送光素子と、
前記ゾーン内の反射面と、
前記反射面からの前記伝送ビームの反射を受光するように配置された受光素子と
前記マルチモード送光ファイバと動作可能に連係した手段であって、前記マルチモード送光ファイバ内を伝搬する光の、モード・ノイズにより誘発される信号レベルの変動を平均化するための手段とを備え、
前記送光素子と前記受光素子が同一の光学素子であり、
前記マルチモード送光ファイバが受光ファイバとしても機能して前記反射面からの前記伝送ビームの反射光も伝送し、
前記マルチモード送光ファイバに光学的に結合された、受光されたビームを前記伝送ビームから分離するための手段をさらに備える、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
分離するための前記手段が空間マルチプレクサとサーキュレータのうちの１つを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
さらにランバート反射を可能にするように前記反射面が構成されている、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
選択期間にわたって前記マルチモード光ファイバの屈折率を周期的に変化させるための手段と、
前記マルチモード光ファイバ内の配光をスクランブルするための手段と
のうちの１つを、平均化するための前記手段が備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記マルチモード光ファイバの温度を周期的に変化させること、
前記マルチモード光ファイバをねじること、
前記マルチモード光ファイバを引き伸ばすこと、
前記マルチモード光ファイバを振り動かすこと、および
前記マルチモード光ファイバを振動させること
のうちの少なくとも１つを行うように構成された装置を、平均化するための前記手段が備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記ゾーンがガス・タービン・エンジンの測定ゾーンであり、前記測定ゾーンが、前記エンジンの外側ケーシングと反射面を有する前記外側ケーシングの内側のエンジン部品との間と定義される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
ゾーン内の特性を測定する方法であって、
マルチモード光ファイバおよび前記ゾーンに光学的に結合された送光素子を通して選択波長の光のビームを伝送させるステップと、
伝送された前記ビームの少なくとも一部を反射面で受光素子に反射させるステップと、
伝送された前記ビームの前記少なくとも一部の反射を、前記反射面から、前記送光素子に光学的に結合された前記受光素子で受光するステップと、
前記マルチモード光ファイバ内を伝搬する前記光のビームの、モード・ノイズにより誘発される信号レベルの変動を平均化するステップとを含み、
前記送光素子と前記受光素子が同一の光学素子であり、
前記マルチモード光ファイバが前記伝送されたビームと受光された前記ビームの前記少なくとも一部とを伝送し、
前記受光されたビームの前記少なくとも一部を前記伝送されたビームから分離するステップをさらに含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記受光されたビームの前記少なくとも一部の強さを検出するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
モード・ノイズを平均化する前記ステップが、前記マルチモード光ファイバを周期的に操作することによって行われる、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ゾーン内の前記表面で前記伝送されたビームのランバート散乱をもたらすステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼プロセスをモニタリングすることを対象とし、より詳細には、燃焼プロセスに関連した波長可変ダイオードレーザー分光吸収法の測定の結果生じるモードまたはスペックル・パターンのノイズを緩和するための装置および方法を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
色々な炭化水素が燃焼する結果生じる、成分ガスの濃度や温度などの燃焼特性を正確に測定または制御するのが望ましくかつ必要であるということが、最適な燃焼条件を保証するために多様な分野でますます重要になっている。燃焼のモニタリングと制御のために波長可変ダイオードレーザー分光吸収法（ｔｕｎａｂｌｅ  ｄｉｏｄｅ  ｌａｓｅｒ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）（「ＴＤＬＡＳ」）を用いることは、２００４年１０月２１日に公開された「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ」という名称のＷＯ２００４／０９０４９６や、２００５年１１月３日に公開された「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｏｄｅ  Ｎｏｉｓｅ  Ａｖｅｒａｇｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅ」という名称のＷＯ２００５／１０３７８１、２００９年５月１４日に公開された「Ｉｎ  ｓｉｔｕ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｂｅ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ」という名称のＷＯ２００９／０６１５８６、２００７年８月２日に公開された「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｚｏｎｅ  ｏｆ  ａ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｅｎｇｉｎｅ」という名称のＷＯ２００７／０８７０８１を含むいくつかの特許出願で、石炭燃料ボイラーやジェット・エンジンに関して記載されており、それぞれの出願の内容は、そこで開示されているすべての事項について、全体がそのまま本明細書に組み込まれる。開示された燃焼モニタリング装置および方法のそれぞれは、燃焼ゾーンもしくは関連するガス・ゾーンを通してまたはそれらの付近で、レーザー光を伝送させ受光することを特徴とする。レーザー分光法により、ユーザは測定ゾーン内の燃焼特性を測定することが可能になる。ＴＤＬＡＳ技法はｉｎ  ｓｉｔｕで実行することができる。動的なプロセス制御に適してフィードバックが高速であることや、環境に対するロバスト性があることを含む、多数の利点がＴＤＬＡＳ技法により与えられる。
【０００３】
典型的には、ＴＤＬＡＳは、近赤外と中間赤外のスペクトル領域で動作する波長可変ダイオードレーザーを用いて実行される。ＴＤＬＡＳのモニタリング技法は、対象とする領域を通してレーザー光を伝送させ、燃焼の結果生じるガス種に特定の特別のスペクトル帯にそのレーザー光が吸収された後で、検出器によって受光される光の量と性質の間の予め定められた関係に基づいている。検出器によって受光された吸収スペクトルは、温度などの関連する燃焼パラメータに加えて、解析中にガス種の量を決定するのに用いることができる。しかしながら、ＴＤＬＡＳに関連する技術的な問題点がある。これらのうちの１つは、レーザー光を伝送させ受光する結果生じるモードおよびスペックルのノイズを緩和する必要があるということである。
【０００４】
関心がある１つの特定の領域は、ジェット機のエンジン内の燃焼パラメータの測定である。ＷＯ２００７／０８７０８１には、ガス・タービン・エンジン内の燃焼ゾーンの下流の温度をユーザが測定できるようにするためのレーザー信号を送出し受信するシステムおよび方法が記載されている。必要とされる光アクセスを最小にし、それによってエンジンのケーシング内の穴の個数を最小にするために、かつ光プローブを可能な限りロバストにするために、プローブは、プローブから放射されたレーザー光が測定ゾーン内の表面から反射されプローブに戻るような構成であることが要求される。ある用途では、位置調整が不良になるおそれをできるだけ小さくするために、反射面は、ランバート反射を可能にするように処理される。そうした表面のことを、本明細書では「ランバート面」という。例えば、内側ケーシング、タービン・ブレードまたはタービン・シャフトなどの内部のエンジン表面からプローブが光を反射する場合には、ランバート反射を可能にする比較的粗い遮熱コーティングで内部のエンジン表面を覆ってもよい。ランバート反射では、反射時に光が散乱される。検出のために利用可能な信号レベルがランバート反射により大きく低下するおそれがあるが、多かれ少なかれΠステラジアンの半球内に均等に光が散乱されるため、ランバート反射により位置調整に対する過敏性も下がる。
【０００５】
信号レベルが低減することに加えて、ランバート面からの反射により、測定の信号対ノイズ比に関する別の問題点が生じる。反射／散乱された信号にはレーザー・スペックル・ノイズが現れ、レーザーから受光した波長スペクトルに時間依存のうねりが生じる。このため、吸収スペクトルを信号にフィッティングさせることが非常に困難になり、誤りが生じやすくなる。ランバート（粗面化された）面から反射を受光した場合、スペックル・ノイズは、マルチモード・ファイバ内で引き起こされるモード・ノイズと原因および結果の点で実質的に同様な干渉現象である。ランバート面から反射した光は、受光素子に到達するために様々な距離を進む。ある経路上の光波が別の経路上の光波と干渉すると、高い強度と低い強度の変動する領域が生じ、スペクトルに時間依存のうねりが生じる。これらのうねりにより、モニタリングされるガスによる対象とする波長の吸収を、スペックル・ノイズに関連する損失と区別することが困難になる。
【０００６】
本明細書で開示する色々な実施形態は、上で述べた１つまたは複数の問題や、ＴＤＬＡＳ検出装置および方法での他のモード・ノイズの問題を克服することを意図している。
【発明の概要】
【０００７】
第１の実施形態は、ガス・タービン・エンジンの測定ゾーン内の燃焼パラメータを測定するための装置を備える。測定ゾーンは、外側ケーシングと反射面を有する外側ケーシングの内側のエンジン部品との間と定義される。その装置は、選択波長の光の伝送ビームを生成するレーザーと、レーザーに光学的に結合されたマルチモード送光ファイバとを備える。送光素子が、ビームを測定ゾーン内に伝送させるためのマルチモード光ファイバに光学的に結合される。反射面は、ランバート反射を可能にするように構成される。受光素子が、ランバート反射を受光するように配置される。マルチモード送光ファイバと動作可能に連係した手段であって、マルチモード送光ファイバ内を伝搬する光の、モード・ノイズにより誘発される信号レベルの変動を平均化するための手段が設けられる。
【０００８】
一実施形態では、送光素子と受光素子は同一の光学素子であり、マルチモード光ファイバは、送光ファイバと受光ファイバの両方の働きをする。そうした実施形態は、マルチモード光ファイバに光学的に結合された、受光されたビームを伝送ビームから分離するための手段をさらに備える。平均化するための手段は、選択期間にわたってマルチモード光ファイバの屈折率を周期的に変化させるための手段か、またはマルチモード光ファイバ内の配光をスクランブルするための手段を備えてもよい。平均化するための手段は、マルチモード光ファイバの温度を周期的に変化させるための手段か、またはマルチモード光ファイバを周期的に操作するための手段を備えてもよい。マルチモード光ファイバを周期的に操作するための手段は、マルチモード光ファイバの一部分をねじるか、マルチモード光ファイバを引き伸ばすか、またはマルチモード光ファイバの一部分を振り動かすかもしくは振動させるように構成された装置を備えてもよい。
【０００９】
別の実施形態は、外側ケーシングとケーシング内の表面との間に燃焼ゾーンを備えるガス・タービン・エンジンである。そのゾーンと動作可能に連係したポートが外側ケーシング内に設けられ、そのポートは反射性面と光学的に連係している。送光兼受光素子がそのポートと光学的に結合され、送光兼受光素子は、反射性面にビームを伝送させかつ反射性面から反射されたビームの少なくとも一部を受光するように構成されている。マルチモード光ファイバが送光兼受光素子に光学的に結合される。マルチモード光ファイバ内を伝搬する光の、モード・ノイズにより誘発される信号レベルの変動を平均化するための手段が、マルチモード光ファイバの少なくとも一部と動作可能に連係して設けられる。平均化するための手段は、第１の実施形態に関して上で述べた手段のうちのいずれでもよい。本発明の第１の態様の場合と同じく、反射性面はランバート・コーティングを有してもよい。ランバート・コーティングは遮熱コーティングでもよい。
【００１０】
別の実施形態は、ガス・タービン・エンジンのゾーン内の燃焼特性を測定する方法である。その方法は、マルチモード光ファイバを通して選択波長の光のビームをそのゾーン内に伝送させるステップを含む。そのビームは、ゾーン内の表面から反射される。ビームは受光素子で受光される。その方法は、マルチモード光ファイバ内を伝搬する光のビームの、モード・ノイズにより誘発される信号レベルの変動を平均化するステップをさらに含む。受光素子は、マルチモード光ファイバに光学的に結合してもよく、さらに送光兼受光素子として機能してもよい。反射性面上にランバート散乱面を設けてもよい。
【００１１】
さらに別の実施形態は、ゾーン内の特性を測定する方法である。その方法は、マルチモード光ファイバおよびそのゾーンに光学的に結合された送光素子を通して選択波長のレーザー光のビームを伝送させるステップを含む。伝送されたビームの少なくとも一部が、送光素子に光学的に結合された受光素子により受光される。その方法は、マルチモード光ファイバ内を伝搬する光のビームの、モード・ノイズにより誘発される信号レベルの変動を平均化するステップをさらに含む。その方法は、送光素子と受光素子が同一の光学素子であることをさらに含んでもよい。その方法は、マルチモード光ファイバが、伝送されたビームと、受光素子で受光されたビームの少なくとも一部とを伝えることをさらに含んでもよい。その方法は、受光されたビームの少なくとも一部を伝送されたビームから分離するステップをさらに含んでもよい。モード・ノイズにより誘発される信号レベルの変動を平均化するステップは、マルチモード光ファイバを周期的に操作することによって行ってもよい。周期的に操作することは、マルチモード光ファイバをねじること、マルチモード光ファイバを引き伸ばすこと、マルチモード光ファイバを振り動かすこと、光ファイバを振動させること、またはそれらの組合せを含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ガス・タービン・エンジンの概略図の、長手方向の軸に沿った部分断面図である。
【図２】送光／受光素子の組を光学的に結合する１つの可能性を示す、図１のＡ−Ａ線に沿った図１のガス・タービン・エンジンの燃焼ゾーンの概略断面図である。
【図３】送光／受光素子の組を結合する別の可能性を単に示す、図２と同様の図である。
【図４】マルチモード光ファイバの一部分と連係してもよいモード・ノイズ低減デバイスの概略図である。
【図５】本明細書で開示した、モード・ノイズの緩和を特徴とする燃焼ゾーン検知デバイスの図である。
【図６】本明細書で開示した方法を利用して実現されるモード・ノイズ低減のグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
特に他に記載がない限り、本明細書および特許請求の範囲で使用する、構成要素や、寸法、反応条件などの量を表すすべての数は、すべての場合で「約」という言葉により修飾されるものと理解すべきである。
【００１４】
この出願および特許請求の範囲では、特に断りのない限り、単数形の使用は複数を含む。加えて、特に断りのない限り、「または」の使用は「および／または」を意味する。さらに、「含んでいる」という言葉と、「含む」や「含まれる」などの他の形の使用は、限定的なものではない。また、特に断りのない限り、「要素」または「部品」などの用語は、１つのユニットを構成する要素や部品と、１つより多いユニットを構成する複数の要素や部品との両方を包含する。
Ａ．波長可変ダイオードレーザー分光吸収法
【００１５】
ＴＤＬＡＳは、対象の環境にレーザー光を伝送させ、続いて、酸素などの対象のガスによる吸収に起因する、特定の波長でのレーザー光の吸収を検出することによって行われる。検出された光をスペクトル解析することにより、レーザーの経路に沿ってガスの種類と量を識別し、かつ温度や圧力などの特性を決定することが可能になる。レーザー吸収分光法の非接触性により、その方法は、ガス・タービン・エンジンの燃焼ゾーンなどの苛酷な環境、または他のプローブを用いることができない引火性もしくは有毒な環境に適したものになっている。レーザー光を用いることにより、これらの環境のいくつかで見られることがある著しい減衰がある状態で、検出可能な伝送を受光するのに必要な高輝度が与えられる。対象とする用途の苛酷な条件によりうまく耐えるために、外装された光ファイバを通して対象の環境にレーザー光を導入してもよい。
【００１６】
燃焼プロセスの多数の成分ガスの温度または濃度を効果的に検知するには、広く間隔を空けた、多数の周波数のレーザー光で、ＴＤＬＡＳを実行する必要がある。選択された周波数は、モニタリングされる遷移の吸収線と合致していなければならない。多重化されたプローブ・ビームを用いることにより、１つより多い燃焼ガス種を同時にモニタリングすることが可能になり、燃焼プロセスをより厳密に制御することが可能になる。
Ｂ．モード・ノイズ
【００１７】
ＴＤＬＡＳシステムの光学縦列では、モード・ノイズの低減と集光効率の向上という対立する設計要件のために、多数の設計上の難題が生じる。本明細書では、モード・ノイズと、その結果生じるスペックル・パターンの変化を、２つの別個の、しかし関連する現象として定義する。第１に、モード・ノイズは、検出された光の信号レベルの変化であり、その変化は、調査されるゾーンへのおよびそのゾーンからの光を集めかつ送るのに用いられるファイバのコア内での配光が不均一な時間と波長により変化することに起因する。第２に、自由空間内で光が反射され伝送されるときに、干渉に基づくスペックル・パターンのようなモード・ノイズも起こることがある。特に、光がランバート反射面から反射された際に、その面から反射された光が受光素子に到達するために様々な距離を進むので、モード・ノイズが起こることがある。これにより、反射された信号にレーザー・スペックル・ノイズが現れることになり、受光されたスペクトルに時間依存のうねりが生じる。モード・ノイズについての以下の一般的な記述は、マルチモード・ファイバ内で引き起こされるモード・ノイズか、または自由空間で反射された信号内で引き起こされるスペックル・パターンのノイズに等しく適用可能である。
【００１８】
マルチモード・ファイバでは、屈折率が変動するために、様々なモードが様々な速度で伝搬することがある。そのため、ファイバ内の強度分布は、様々な有効経路長を経て伝搬するすべてのモードの干渉の結果生じるスペックル・パターンである。スペックル・パターンのすべての光が集められ検出された場合、強めあう干渉と弱めあう干渉が正確に打ち消し合い、全伝送パワーは波長またはファイバの長さに依存しなくなる。クリッピング、ビネット、または他の損失が加えられた場合は正確に打ち消し合えなくなり、検出されたパワーは波長および／または時間とともに変化する。ＴＤＬＡＳ検知システムでは、モード・ノイズに起因するパワー変化は極めて問題である。分光法の技法には、調査対象のガス種により光の特定の波長が吸収されることに依拠するものがある。吸収は、臨界波長でパワーが低下することにより検出される。したがって、モード・ノイズは、吸収に関連するパワーの降下を模倣することがあり、ＴＤＬＡＳにより収集されたデータを不明瞭にする。
Ｃ．典型的なプローブ構成
【００１９】
ＷＯ２００７／０８７０８１、ＷＯ２００９／０６１５８６、および２００９年１月２６日に出願された「Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  Ｆｒｅｅ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｅｎｄｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｂｅ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  ａ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｅｎｇｉｎｅ」という名称の米国特許出願第１２／３５９，９００号のそれぞれには、燃焼プロセスをモニタリングするためのＴＤＬＡＳデバイスまたはプローブの実施形態が記載されている。これらの各出願は、そこで開示されているすべての事項について、全体がそのまま本明細書に組み込まれる。これらの出願に記載されているそれぞれの実施形態では、選択波長のレーザー光を送光素子に伝達するプローブの送光側で単一モードの光ファイバが用いられる。これらの色々な実施形態では、送光側でマルチモード光ファイバを用いることで普通なら生じるはずのモード・ノイズを最小にするために、単一モードのファイバが用いられる。ＷＯ２００５／１０３７８１（その出願は、そこで開示されているすべての事項について、全体がそのまま本明細書に組み込まれる）に記載されている代替の実施形態では、非常に短い長さのマルチモード光ファイバが、送光素子に直接隣接して用いられる。本明細書で開示するモード・ノイズ低減の方針および装置は、本明細書に組み込まれる参考文献で開示されているプローブ構成および同様のプローブ構成に適用可能である。
【００２０】
開示の実施形態で増強するのに適した典型的な種類のプローブについて、図１および図２に示す。図１は、ガス・タービン・エンジン１０の軸に沿った、燃焼室１２を示す部分断面図を概略の形状で描いている。図２は、動作可能に連係する送光素子２２と受光素子２４の組を概略の形状で示す、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２に示した実施形態では、送光／受光素子の組２２，２４は、外側ケーシング２８のポート２６に光学的に結合され、その外側ケーシングに物理的に固定されている。ポート２６は、最近の多くのガス・タービン・エンジンについて燃焼ゾーンの付近で利用可能な、外側ケーシングに差し込まれるボアスコープのポートでもよい。ボアスコープのポートは、稼働中にタービン・ブレードを観察できるようにすることを意図しているが、さらに、エンジンが動いていないときだけ接触可能であることを意図している。したがって、典型的には、これらのポートはエンジンの動作中に差し込まれている。送光／受光素子の組２２，２４は、それらが取って代わるプラグとして機能することができる形で、ポート２６と外側ケーシングに固定されている。送光／受光素子の組２２，２４は、ガス・タービンの外側ケーシングでポート２６と動作可能に連係するように構成されており、したがって、実質的にポート２６の反対側にある内側ケーシング３２の部分３０からプローブ・ビーム２９を反射することによって、送光素子と受光素子が光学的に結合される。代替の実施形態では、反射面は、タービン・ブレード、専用の反射器、または光学素子の組２２と２４の間でビーム２９を反射するように作用するいかなる他の構造などの、別個のエンジン構造であってもよい。また、図２の実施形態では単一のポートに一緒に配置されるものとして光学素子の組２２，２４を示しているが、それらの光学素子は空間的に分離していてもよい。したがって、図３に示した代替の実施形態では、送光素子２２は、破線で示したビーム２９を、内側ケーシングから別個のポートに関連した受光素子２４へ向けてもよい。そうした実施形態では、その上でビームが反射する内側ケーシング３２（または他の構造）の部分は、送光素子２２と受光素子２４の間にあることになる。
Ｄ．モード・ノイズの低減
【００２１】
上記したように、典型的には、プローブの公知の実施形態は、モード・ノイズを最小にするプローブ・システムの送光側に単一モードのファイバを含む。驚いたことに、本発明者らは、マルチモード光ファイバ内を伝搬する光の、モード・ノイズにより誘発される信号レベルの変動を平均化するステップをとれば、上記で開示した光学的なプローブの色々な実施形態において送光側でマルチモード光ファイバを用いることができるということを発見した。送光用マルチモード・ファイバでのモード・ノイズの低減は、その中で生成されるモード・ノイズを制限するのに確実に役立つが、以下で記載するようにランバート面から信号が反射するときに生成されるモード・ノイズを最小にするのに役立つこともできる。
【００２２】
マルチモード送光ファイバでのモード・ノイズには、ＷＯ２００５／１０３７８１（その出願は、そこで開示されているモード・ノイズ低減のすべての方針について、全体がそのまま本明細書に組み込まれる）により詳細に記載されているような色々なやり方で対処してもよい。例えば、図４に概略的に示すように、時間平均をとった測定値を生成するためにモード・ノイズに対して周期的に位相シフトするかまたはスクランブルすることを、光デバイス４０で実現してもよい。光デバイス４０は、入力４２と出力４３を有するマルチモード光ファイバ４１を含む。光は、マルチモード光ファイバ４１の入力４２に結合してもよく、一般的には、入力４２および出力４３と連係して、図４に示した矢印の方向にシステムを通って伝搬することになる。
【００２３】
光デバイス４０は、マルチモード・ファイバ４１と動作可能に連係した平均化部品４４も含む。平均化部品４４は、選択期間にわたってマルチモード光ファイバ４１の屈折率を周期的に変化させるための装置を含んでもよい。その代わりに、またはそれに加えて、平均化部品４４は、マルチモード光ファイバ４１内の配光をスクランブルするための装置を含んでもよい。屈折率の変化または配光のスクランブルは、マルチモード光ファイバ４１の温度を周期的に変化させること、マルチモード光ファイバ４１を周期的に操作すること、またはそれらの両方を介して、平均化部品４４により実現してもよい。
【００２４】
平均化部品４４がマルチモード光ファイバ４１の周期的な操作を行う実施形態では、平均化部品４４は、マルチモード光ファイバ４１の一部分をねじるか、引き伸ばすか、振動させるかまたは振り動かしてもよい。平均化部品４４がマルチモード光ファイバ４１の温度を周期的に変化させる実施形態では、マルチモード光ファイバの一部分と熱的に連通する色々な熱的要素または熱的部品を設けてもよい。平均化部品４４は、マルチモード光ファイバ４１の温度に影響を及ぼすいかなる装置を含んでもよい。マルチモード光ファイバ４１の温度に影響を及ぼすために用いることができる典型的なデバイスには、熱電モジュールや、抵抗ヒータ、赤外線ヒータ、ケミカル・ヒータ、圧縮流体と熱交換器を利用する従来の冷却デバイス、ケミカル・クーラ、周囲温度以下に冷却された流体源、周囲の温度以上に加熱された流体源が含まれる。
【００２５】
平均化部品４４がマルチモード・ファイバ４１を周期的に加熱または冷却する実施形態では、マルチモード光ファイバ４１と熱的に連通するセンサ４５を設置してもよい。センサ４５は制御装置４６に情報を与えてもよく、そして制御装置４６は制御線４７を通して平均化部品４４を制御してもよい。
【００２６】
本明細書で開示した実施形態では、マルチモード・ファイバと連係するいかなる種類のモード・ノイズ平均化部品を利用してもよいということに留意することが重要である。したがって、上記のデバイス４０は、典型的な種類のモード・ノイズ平均化デバイスに過ぎない。本明細書で開示した実施形態は、本明細書に記載したモード・ノイズ平均化デバイスか、またはいかなる他の種類のモード・ノイズ平均化デバイスで実行してもよい。
【００２７】
上記したように、１つの有用なプローブには、ジェット・エンジン内のプロセスを検知または制御するのに用いられるＴＤＬＡＳセンサが含まれる。そうした検知システムは、プローブ・ビームが例えばランバート反射面から反射されるときにマルチモード・ファイバ内または自由空間で引き起こされるモード・ノイズの影響を特に受けやすい。図５は、第１の実施形態のＴＤＬＡＳセンサ５０の概略図である。ＴＤＬＡＳセンサ５０は送光兼受光素子５２を備え、その送光兼受光素子５２は、例えば１つまたは複数のレンズなどのいくつかの光学部品を含んでもよい。送光兼受光素子５２は一体構造のものでもよい。あるいは、送光兼受光素子５２は別個の送光部品と受光部品を有してもよい。
【００２８】
マルチモード光ファイバ５４は、送光兼受光素子５２に光学的に結合される。マルチモード光ファイバ５４は、さらに、選択波長の光のビームを生成する波長可変ダイオードレーザー５６に光学的に結合される。一実施形態では、光分岐器５８がマルチモード光ファイバ５４と光学的に連係している。一例として、光分岐器５８は、電気通信の用途で用いられる種類の空間マルチプレクサまたはサーキュレータでもよい。光分岐器５８の機能は、波長可変ダイオードレーザー５６により生成された光信号から送光兼受光素子５２により受光された光信号を分離し、かつ受光部分の信号を検出器６０に送出することである。検出器６０は、典型的には、波長可変ダイオードレーザー５６により生成された光の周波数に対する感度がよい光検出器である。特定の実施形態では、ＴＤＬＡＳセンサ５０はガス・タービン・エンジン６２の一部分と動作可能に連係しており、ガス・タービン・エンジン６２の一部分は外側ケーシング６４と内部の部品６６を含み、その部品６６は、例えば、内側ケーシング、タービン・シャフト、タービン・ブレード、もしくはガス・タービン・エンジンの外側ケーシングの中で見られるいかなる他の部品などのエンジン部品、または専用の反射面でもよい。
【００２９】
ほとんどの用途では、ガス・タービン・エンジンの燃焼ゾーンまたはその下流において、エンジン内の燃焼に関連するガスを測定し、温度などの特性を決定する目的で、検知装置はガス・タービン・エンジンの一部分と連携することになる。波長可変ダイオードレーザー５６によって生成されたプローブ・ビーム６８が、図５に示すようにもとの送光兼受光素子５２に反射するように、内部の部品６６から離れる向きに向けられる。送光兼受光素子５２によって受光された伝送ビームの一部分は、検出器６０による検出のために、マルチモード光ファイバ５４によって光分岐器５８に伝達される。
【００３０】
送光兼受光素子５２と内部の部品６６の間の光学的な位置調整を維持するために、ビーム６８を反射する内側の部品６６の一部分にランバート面を設けることが望ましいだろう。反射性面上におけるビームの見掛けの輝度が観測器の画角にかかわらず観測器に対してほぼ同一になるように入射ビームが散乱されるときに、ランバート反射が起こる。したがって、ランバート反射は散漫反射である。ランバート反射では、反射ビームの強度が低下しがちであるが、送光兼受光素子５２と内部の反射面６６の間のわずかな位置調整不良を克服しやすくもなる。ビードブラスト、サンディング、塗装または別の方法で反射性面を処理して散漫反射を可能にすることにより、ランバート反射を実現してもよい。具体的には、ガス・タービン・エンジンの内側の部品によく設けられるような粗い遮熱コーティングにより、そうしたランバート反射を発生させることができる。
【００３１】
その表面から反射された光が受光素子に到達するために様々な距離を進むと、ランバート面からの信号のモード・ノイズが結果として生じる。これにより、反射された信号にレーザー・スペックル・ノイズが現れることになり、受光されたレーザーの波長スペクトルに時間依存のうねりが生じる。上で述べた種類の平均化部品７０は、マルチモード光ファイバ５４と動作可能に連係してもよい。上記したように、平均化部品７０の目的は、マルチモード光ファイバ５４内を伝搬する光の、モード・ノイズにより誘発される信号レベルの変動を平均化することである。一実施形態では、平均化部品７０は機械的な振動機である。驚いたことに、ランバート面からビームが反射する結果生じるスペックル・ノイズが、マルチモード光ファイバ５４を機械的に振動させることにより実質的に緩和することがわかった。一実施形態では、機械的な振動の影響を受けやすい２００マイクロメートルのコアを有するマルチモード光ファイバ５４を用いることにより、０．０５秒以上の振動サイクルでファイバ５４の振動、したがって、単一の平均化が起こるとスペックル・ノイズがほとんど消去されることが示された。適当な光ファイバ５４の一例は、ＦＩＢＥＲＧＵＩＤＥ  ＡＦＳ２００／２２０Ｚである。
【００３２】
図６は、上記したように実現されるモード・ノイズの低減をグラフで示す。図６に示したように、静止したマルチモード光ファイバにより受光された信号７６は、極端なピークと谷を有する。２００マイクロメートルのファイバを機械的に振り動かすかまたは振動させると、０．０５秒の振動サイクルの平均化で、スペックル・ノイズはおおよそ２０分の１に低減し、実質的により滑らかな信号７８になる。
【００３３】
図５に示した実施形態は、伝送ビームをエンジン内に介在する反射性面から反射させることにより互いに光学的に連通する複数の空間的に分離した送光兼受光素子を設けることによって、変更することもできる。この代替形態では、マルチモード送光ファイバが送光素子に光学的に結合してもよく、マルチモード受光ファイバが受光素子に結合してもよい。そうした実施形態では、平均化部品が、送光ファイバだけと、または送光用マルチモード光ファイバと受光用マルチモード光ファイバの両方と動作可能に連係することができる。さらに、上で述べたように、検知装置の色々な他の実施形態では、信号の品質を向上させるために、送光用マルチモード光ファイバと動作可能に連係した平均化部品を採用することができる。
【００３４】
代替の実施形態は、ガス・タービン・エンジンのゾーン内の燃焼特性を測定する方法である。その方法は、マルチモード光ファイバを通して選択波長の光のビームをそのゾーン内に伝送させるステップを含む。そのビームは、ゾーン内の表面から反射される。ビームは受光素子で受光される。その方法は、マルチモード光ファイバ内を伝搬する光のビームの、モード・ノイズにより誘発される信号レベルの変動を平均化するステップをさらに含む。受光素子は、マルチモード光ファイバに光学的に結合してもよく、さらに送光兼受光素子として機能してもよい。反射性面上にランバート散乱面を設けてもよい。
【００３５】
さらに別の代替の実施形態は、ゾーン内の特性を測定する方法である。その方法は、マルチモード光ファイバおよびそのゾーンに光学的に結合された送光素子を通して選択波長のレーザー光のビームを伝送させるステップを含む。伝送されたビームの少なくとも一部が、送光素子に光学的に結合された受光素子により受光される。その方法は、マルチモード光ファイバ内を伝搬する光のビームの、モード・ノイズにより誘発される信号レベルの変動を平均化するステップをさらに含む。その方法は、送光素子と受光素子が同一の光学素子であることをさらに含んでもよい。その方法は、マルチモード光ファイバが、伝送されたビームと、受光素子で受光されたビームの少なくとも一部とを伝えることをさらに含んでもよい。その方法は、受光されたビームの少なくとも一部を伝送されたビームから分離するステップをさらに含んでもよい。モード・ノイズにより誘発される信号レベルの変動を平均化するステップは、マルチモード光ファイバを周期的に操作することによって行ってもよい。周期的に操作することは、マルチモード光ファイバをねじること、マルチモード光ファイバを引き伸ばすこと、マルチモード光ファイバを振り動かすこと、光ファイバを振動させること、またはそれらの組合せを含んでもよい。
【００３６】
開示した色々な実施形態は、特許請求の範囲で述べた色々な要素を置換したものも、各従属請求項が独立請求項だけでなく先行するそれぞれの従属請求項の限定を組み込んだ多数項従属請求項であるかのように、含むことができる。そうした置換をしたものは、明らかにこの開示の範囲内である。
【００３７】
いくつか実施形態に関して本発明を詳細に示し記載してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に開示した色々な実施形態に対して形態や細部の変更をしてもよく、本明細書に開示した色々な実施形態は特許請求の範囲を限定するように意図するものではないということが、当業者であれば理解されよう。本明細書で引用したすべての参考文献は、参照により全体がそのまま組み込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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