(57)【要約】      （修正有）【課題】鉄道及び橋梁を含む輸送システムの劣化は、メンテナンス不足、製造上の欠陥、環境、及び負荷、速度、環境ストレスなどのような運行状態に起因して発生し得る。輸送システムを監視する手法を提供する。【解決手段】監視システムは、１つ以上の光ファイバ導波路上に配置される光センサを含む。各光センサは、他の光センサから離間され、かつ移動可能な輸送機器を支持する運搬用構造物により規定される経路に沿った場所に配置される。複数の光センサは、運搬用構造物及び移動可能な輸送機器の一方又は両方に機械的に接続される。各光センサは、出力光信号を、運搬用構造物及び輸送機器の一方又は両方の振動放射音に応じて供給する。監視システムは、光センサからの出力光信号を電気信号に変換するように構成される検出器ユニットを含む。データ取得コントローラは、電気信号の記録を輸送機器の移動に同期させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の光ファイバ導波路上に配置される複数の光センサであって、各光センサが、前記複数の光センサの他の光センサから離間され、かつ移動可能な輸送機器を、前記輸送機器が運搬用構造物に沿って移動しているときに支持する前記運搬用構造物により規定される経路に沿った場所に配置され、前記複数の光センサが、前記運搬用構造物及び前記移動可能な輸送機器の一方又は両方に機械的に接続され、各光センサが、出力光信号を、前記運搬用構造物及び前記輸送機器の一方又は両方の振動放射音に応じて供給する、複数の光センサと、
前記光センサからの出力光信号を電気信号に変換するように構成される検出器ユニットと、
前記電気信号の記録を前記輸送機器の移動に同期させるように構成されるデータ取得コントローラとを備える、監視システム。
【請求項２】
前記データ取得コントローラは、特定の光センサ信号に対応する電気信号の記録を時間窓に制限するように構成され、前記時間窓では、前記輸送機器が前記光センサの前記場所からの所定距離内に位置している、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記データ取得コントローラは、前記電気信号の記録を、前記電気信号群のうち少なくとも２つの電気信号の振幅が閾値を上回る場合に開始するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記データ取得コントローラは、前記輸送機器の速度及び方向を決定するように構成され、かつ前記輸送機器が前記光センサの前記場所から所定距離内に位置している期間を、前記輸送機器の前記速度及び前記方向に基づいて推定するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
１つ以上の光ファイバ導波路上に配置される複数の光センサであって、各光センサが、前記複数の光センサの他の光センサから離間され、かつ移動可能な輸送機器を、前記輸送機器が運搬用構造物に沿って移動しているときに支持する運搬用構造物により規定される経路に沿った場所に配置され、前記複数の光センサが、前記運搬用構造物及び前記移動可能な輸送機器の一方又は両方に機械的に接続され、各光センサが、出力光信号を、前記運搬用構造物及び前記輸送機器の一方又は両方の振動放射音に応じて供給する、複数の光センサと、
前記光センサからの出力光信号を電気信号に変換するように構成される少なくとも１つの検出器と、
前記電気信号からのデータ取得を前記輸送機器の移動に同期させるように構成されるデータ取得コントローラと、
前記運搬用構造物及び前記輸送機器のうち少なくとも一方の状態を、前記電気信号から取得されるデータに基づいて検出するように構成されるプロセッサとを備える、監視システム。
【請求項６】
前記プロセッサは、前記運搬用構造物の亀裂、破損、負荷レベル、負荷分布、転動接触疲労、腐食、摩滅、摩耗、及び構造座屈のうち１つ以上を検出するように構成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記プロセッサは、前記輸送システムの正常状態を検出するように構成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
出力光信号を複数の光センサから受信することであって、各光センサが、移動可能な輸送機器を、前記輸送機器が運搬用構造物に沿って移動しているときに支持する運搬用構造物により規定される経路に沿った場所に配置され、前記複数の光センサが、前記運搬用構造物及び前記移動可能な輸送機器の一方又は両方に機械的に接続され、各出力光信号は前記運搬用構造物及び前記輸送機器の一方又は両方の振動放射音に応答する、受信することと、
前記出力光信号を電気信号に変換することと、
前記電気信号の記録を前記運搬用構造物に沿った前記輸送機器の移動に同期させることとを含む、方法。
【請求項９】
前記運搬用構造物及び前記輸送機器の少なくとも一方の状態を前記電気信号に基づいて検出することを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記運搬用構造物及び前記輸送機器の少なくとも一方の前記状態を検出することは、前記電気信号から取得される前記電気信号を、前記運搬用構造物又は輸送機器の異なる状態を特徴付ける既知のテンプレートとパターン照合することを含む、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
鉄道及び橋梁を含む輸送システムの劣化は、メンテナンス不足、製造上の欠陥、環境、及び負荷、速度、環境ストレスなどのような運行状態に起因して発生し得る。輸送システムが劣化することにより、構造的障害、脱線、及び事故を引き起こしてしまう。
【背景技術】
【０００２】
本明細書に記載の実施形態は、輸送システムを監視する手法に関するものである。監視システムは、１つ以上の光ファイバ導波路に配置される複数の光センサを含む。各光センサは、複数の光センサの他の光センサから離間され、輸送機器が運搬用構造物に沿って移動するときに、移動可能な輸送機器を支持する運搬用構造物により規定される経路に沿った場所に配置される。複数の光センサは、運搬用構造物及び移動可能な輸送機器の一方又は両方に機械的に接続される。各光センサは、出力光信号を運搬用構造物及び輸送機器の一方又は両方の振動放射音に応じて供給する。監視システムは、光センサからの出力光信号を電気信号に変換するように構成される検出器ユニットを含む。データ取得コントローラは、電気信号の記録を輸送機器の移動に同期させる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
幾つかの実施形態によれば、監視システムは更に、運搬用構造物及び輸送機器のうち少なくとも一方の状態を、電気信号から取得されるデータに基づいて検出するように構成されるプロセッサを含むことができる。
【０００４】
幾つかの実施形態は、輸送システムを監視する方法に関するものである。当該方法は、出力光信号を１つ以上の光センサから受信することを含む。各光センサは、運搬用構造物により規定される経路に沿った位置に配置され、運搬用構造物は、輸送機器が運搬用構造物に沿って移動するときに、移動可能な輸送機器を支持する。これらの光センサは、運搬用構造物及び移動可能な輸送機器の一方又は両方に機械的に接続される。各出力光信号は、運搬用構造物及び輸送機器の一方又は両方の振動放射音に応じて出射される。出力光信号は、電気信号に変換される。電気信号のデータ取得を運搬用構造物に沿った輸送機器の移動に同期させる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、本明細書において説明される実施形態による輸送システムを監視するために使用することができる光システムの概略ブロック図を示している。
【図２Ａ】図２Ａは、幾つかの実施形態による輸送機器の移動を、センサから電気信号を収集する時刻に同期させる様子を示す概略図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、幾つかの実施形態による複数のセンサモジュールを含む監視システムを示す概略図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、幾つかの実施形態によるデータ取得をセンサ信号の飛行時間に同期させる様子を示している。
【図３Ａ】図３Ａは、幾つかの実施形態によるセンサモジュールからのデータ収集を輸送機器の移動に同期させる様子を記述したフロー図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、幾つかの実施形態によるセンサからのデータ収集をセンサ信号の飛行時間情報を使用して同期させる様子を記述したフロー図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、幾つかの実施形態による輸送システムの状態を検出するために使用されるプロセスを記述したフロー図である。
【図４】図４は、複数のセンサに関する波長分割多重化を、検出用に設計されるアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を使用して行なう様子を示している。
【図５Ａ】図５Ａは、ファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）センサの反射スペクトルを示している。
【図５Ｂ】図５Ｂは、光ファイバケーブル上に配置されるセンサＦＢＧ１、ＦＢＧ２、．．．ＦＢＧＮを示している。
【図５Ｃ】図５Ｃは、幾つかの実施形態による励起光パルスのタイミング、及び図５Ｂのセンサに関する検出期間を示すタイミング図である。
【図６】図６は、シングルモードファイバケーブル上に設置されるＦＢＧセンサの波長スペクトルの理想的なシフトを示している。
【図７】図７は、幾つかの実施形態による波長ドメイン光分波器として使用されるＡＷＧの出力導波路、及び検出器ユニットを更に詳細に示している。
【図８】図８は、幾つかの実施形態による波長ドメイン光分波器として使用されるＡＷＧの出力導波路、及び検出器ユニットを更に詳細に示している。
【図９】図９は、幾つかの実施形態による波長ドメイン光分波器として使用されるＡＷＧの出力導波路、及び検出器ユニットを更に詳細に示している。
【図１０Ａ】図１０Ａは、幾つかの実施形態によるＡＷＧの一部を示し、意図的にクロストークを出力導波路信号に発生させる方法を示している。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、幾つかの実施形態によるＡＷＧの一部を示し、意図的にクロストークを出力導波路信号に発生させる方法を示している。
【図１１】図１１は、光源の数を減らしてコヒーレント光源アレイからの光の角度分布を広げる様子を示すグラフである。
【図１２】図１２は、幾つかの実施形態による時分割多重化を行なうＭ個の光スイッチからなる光スイッチバンク、及び波長分割多重化を行なうＡＷＧを実装した監視システムのブロック図を示している。
【図１３】図１３は、センサ出力光をモジュールレベルで合波する構成を示している。
【図１４】図１４は、幾つかの実施形態による時分割多重化及び波長分割多重化を使用する監視システムを示している。
【図１５】図１５は、時分割多重化に使用することができる階層スイッチ部を示すブロック図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、砂利層を持つ軌道の上を走っているＧ−ｓｃａｌｅ（Ｇゲージ）列車の写真を示している。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、軌道から２インチ（５．０８ｃｍ）のスタンドオフ距離に位置するファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）センサの場所を示す写真である。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、制御型損傷検出試験の場合のヤスリを使用して生じさせた下側の軌道の摩耗損傷を示す写真である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、監視システムから取得される振動放射音を表わす電気信号を示している。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、監視システムから取得される振動放射音を表わす電気信号を示している。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、監視システムから取得される振動放射音を表わす電気信号を示している。
【図１７Ｄ】図１７Ｄは、監視システムから取得される振動放射音を表わす電気信号を示している。
【図１７Ｅ】図１７Ｅは、監視システムから取得される振動放射音を表わす電気信号を示している。
【図１７Ｆ】図１７Ｆは、監視システムから取得される振動放射音を表わす電気信号を示している。
【図１８Ａ】図１８Ａは、列車が軌道の上を通過するときの振動放射音のスペクトル写真を示しており、スペクトル写真は、図１７Ａ〜図１７Ｆの電気信号に対応している。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、列車が軌道の上を通過するときの振動放射音のスペクトル写真を示しており、スペクトル写真は、図１７Ａ〜図１７Ｆの電気信号に対応している。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、列車が軌道の上を通過するときの振動放射音のスペクトル写真を示しており、スペクトル写真は、図１７Ａ〜図１７Ｆの電気信号に対応している。
【図１８Ｄ】図１８Ｄは、列車が軌道の上を通過するときの振動放射音のスペクトル写真を示しており、スペクトル写真は、図１７Ａ〜図１７Ｆの電気信号に対応している。
【図１８Ｅ】図１８Ｅは、列車が軌道の上を通過するときの振動放射音のスペクトル写真を示しており、スペクトル写真は、図１７Ａ〜図１７Ｆの電気信号に対応している。
【図１８Ｆ】図１８Ｆは、列車が軌道の上を通過するときの振動放射音のスペクトル写真を示しており、スペクトル写真は、図１７Ａ〜図１７Ｆの電気信号に対応している。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
これらの図は、必ずしも寸法通りにはなっていない。同様の参照番号は、同様の構成要素を指すためにこれらの図に使用されている。しかしながら、所定の図の構成要素を指すための数字の使用は、同じ数字が付された別の図の構成要素を限定するものではないことを理解できるであろう。
【０００７】
本開示において説明される実施形態では、輸送システムを光学的に監視する。本明細書において説明される手法は、移動可能な輸送機器を含む輸送システムに適用することができ、移動可能な輸送機器は、輸送機器が運搬用構造物に沿って移動するときに運搬用構造物により支持される。運搬用構造物の例として、鉄道、自動車用橋梁及び車道、路面電車線路、及び／又はコンベヤを挙げることができる。輸送機器の例として、鉄道車両、自動車、路面電車、及び／又はコンベヤにより移動することができるコンテナ又はパッケージを挙げることができる。光学的監視を行なって、輸送システムの様々な状態、例えば運搬用構造物及び／又は輸送機器の劣化、障害、及び／又は負荷状態を検出することができる。
【０００８】
本明細書において説明される手法は、様々な種類の輸送システムに使用することができ、鉄道用途に特に有用である。破損レール及び鉄道車両の破損した車輪は、脱線事故の原因となり、雨の破損が、毎年、米国の鉄道事故の３分の１を占めている。過去５０年間、車軸に掛かる負荷が大きくなり、北米鉄道業界の鉄道交通量が多くなり、鉄道速度が速くなって、車輪／レールの接触状態を益々苛酷にしている。過酷な環境が、摩耗及び転動接触疲労を大きくし、レール寿命を短くし、メンテナンスコストを増大させている。摩耗レールにより、燃料消費量が非常に大きくなり、制動距離が非常に長くなり、横力が非常に大きくなり、騒音が非常に大きくなり、及び／又は車輪の磨耗量が非常に大きくなる。転動接触疲労を早期に確実に検出することにより、積極的なメンテナンスが可能になり、毎年発生する多くの鉄道事故を防止することができる。
【０００９】
本明細書において開示される手法により、輸送システムの性能を、光センサにより収集される高解像度データを使用して包括的にリアルタイムで監視することにより、輸送システムの特定の劣化、及び疲労の程度を検出して定量化することができる。これらの手法により更に、輸送機器の速度、重量、及び／又は負荷分布のような輸送システムに関する他の情報を収集することができる。様々なシナリオでは、運搬用構造物、及び運搬用構造物により支持される輸送機器の一方又は両方の特性を特定することができる、及び／又は定量化することができる。
【００１０】
運搬用構造物の従来のメンテナンスは通常、車両の非破壊検査を現地で行なって、及び／又は人が非破壊検査を現地で行なって、当該構造物の内部欠陥を検出する必要がある。このような検査には、超音波検査、渦電流検査、磁性粒子試験、放射線検査などが含まれる。本明細書において説明される実施形態は、効果的な遠隔鉄道監視を、許容できる程度の解像度及びコストで行なうことができる。
【００１１】
本開示の監視システムは、光ファイバセンサ群を備え、これらの光ファイバセンサは、輸送システムに機械的に接続される。これらの光ファイバセンサは、運搬用構造物及び／又は輸送機器の振動放射音を、輸送機器が運搬用構造物の上を移動しているときに検出するように構成される。振動放射音は、音響放射音、長手方向／幅方向応力、及び／又は他の種類の振動信号を含むことができる。センサにより収集される高解像度振動データをパターン照合アルゴリズムが使用して、特定の劣化、故障、負荷レベル、負荷状態、及び／又は運搬用構造物及び／又は輸送機器に関する他の情報を特定することができる。例えば、監視システムにより収集される振動放射音データのパターンは、鉄道レールの破損又は劣化、車輪フラット、軸受の過熱、台車の歪みのような鉄道車両の不具合、及び／又は鉄道車両の乱調振動を示唆することができる。振動放射音データのパターンは、橋梁上の自動車の分布、又は輸送機器が搬送するパッケージの重量を示唆することができる。振動放射音データのパターンを使用して、輸送機器の負荷、速度、及び車軸数のような運送状の情報を確認することができる。上に提示した例は、例示であり、振動データが輸送システムに関する更に別の情報を含む可能性があるので、包括的ではない。
【００１２】
本明細書において説明される監視手法により、様々な種類の輸送システムの遠隔監視が可能になり、これにより、従来の現地検査に伴うコストを低減させて、運行停止時間を短くすることができる。監視手法により、輸送システムの予知保全を強化することができる。運搬用構造物の故障及び／又は劣化を特定することにより、脱線、橋梁の不具合、事故、運行停止時間、及び他の大惨事を低減することができる。
【００１３】
本明細書において説明される実施形態は、運搬用構造物に近接して配置され、かつ運搬用構造物に沿って離間配置される複数の光センサを含む。これらの光センサは、運搬用構造物に機械的に接続される、及び／又は運搬用構造物に沿って移動している輸送機器に機械的に接続される。幾つかの実施形態では、これらの光センサは、輸送機器がセンサの近傍の構造物に沿って移動しているときの運搬用構造物及び／又は輸送機器の振動放射音に対する感度が高い。これらの光センサは、任意の種類の（複数種類の）光センサを含むことができ、当該種類の光センサは、ファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）センサ、及び／又はエタロンセンサ又はファブリ−ペロー（ＦＰ）センサを含む。ＦＢＧセンサ、及びエタロンセンサ／ＦＰセンサは共に、本明細書では、光センサと総称される。以下に提示する例は、ＦＢＧセンサを利用しているが、他の種類の光センサを別の構成として、又は更に、これらの実施形態、及び他の実施形態において使用することができることを理解できるであろう。
【００１４】
本明細書において説明される実施形態によれば、監視システムは、光センサの出力を監視して、センサの光信号を電気信号に変換する高解像度波長シフト検出器を含むことができる。運搬用構造物及び／又は輸送機器から放出される振動放射音を表わす電気信号は、以下に更に詳細に説明されるように、波長シフト検出器を使用して高解像度で記録することができる、例えば取得して格納することができる。
【００１５】
振動放射音を分散配置検出システムで監視することに関連する１つの関心事は、数百個のセンサに必要な高いサンプリングレートに起因して、大量のデータが短時間のうちに生成されてしまうことである。この問題を改善するために、本明細書において説明される実施形態は、データの取得先のセンサを制御するように構成されるデータ取得（ＤＡ）コントローラを含むことができる。ＤＡコントローラは、データの収集先のセンサ群の数を、輸送機器が運搬用構造物に沿って移動しているときの輸送機器から所定の距離内に位置するセンサの数に制限することができる。データの取得先のセンサ群の選択は、通過中の輸送機器の存在、及び通過中の輸送機器の速度を検出することにより行なわれる。
【００１６】
図１は、幾つかの実施形態による監視システム１００のブロック図である。システム１００は、１つ以上の光導波路１０２の上に、例えば光ファイバケーブルの上に、互いに離間配置される複数の光センサ１１０、例えばＳ１、Ｓ２、…、ＳＮを含む。各光センサ１１０は、輸送機器が運搬用構造物に沿って移動しているときに移動可能な輸送機器を支持する運搬用構造物により規定される経路に沿った場所に配置される。（運搬用構造物及び輸送機器は図１には図示されていない。）各光センサ１１０は、輸送機器が光センサ１１０の近傍を移動しているときの運搬用構造物及び移動可能な輸送機器の一方、又は両方に機械的に接続される。
【００１７】
励起光源１２０は、励起光を光センサ１１０に供給する。光センサＳ１、Ｓ２、…、ＳＮはそれぞれ、固有波長（又は、波長帯域）λ１、λ２、．．．、λＮの光を反射するように構成される。励起光源は、センサの波長帯域を含む励起光を供給する。輸送機器がセンサ１１０の近傍を通過すると、輸送機器が運搬用構造物の上を移動することにより生じる振動放射音により、センサ１１０により反射される光の波長が固有波長からシフトするようになる。
【００１８】
光センサ１１０により反射される異なる波長範囲の出力光は、光分波器１３０により分波される（逆多重化される）。光分波器１３０は、光導波路１０２上を伝送される光センサＳ１、Ｓ２、…、ＳＮからの光を、当該光の波長に応じて空間的に分散させる。様々な実施態様では、光分波器１３０は、例えば透過波長可変構造及び／又はアレイ導波路回折格子を備えることができる。
【００１９】
光センサ１１０からの分波光を検出器ユニット１４０に当て、検出器ユニット１４０がセンサから出射される分波光を電気信号に変換する。電気信号は、輸送システムの特性に関する情報を含む。輸送システム特性は、プロセッサ１７０により抽出することができ、プロセッサ１７０が、信号パターンを、特定の特性に関連する既知のパターンと照合する。例えば、プロセッサ１７０に書き込みを行なって、運搬用構造物の破損を、センサ１１０から取得される電気信号のパターンを、破損を示す信号の既知パターンと比較することにより特定することができる。
【００２０】
センサＳ１、Ｓ２、…、ＳＮの光波長帯域λ１、λ２、．．．、λＮは、１つのセンサの波長帯域が、他のセンサ群の波長帯域と殆ど重なることがないように選択することができる。幾つかの実施形態では、光センサＳ１、Ｓ２、…、ＳＮは、光センサＳ１、Ｓ２、…、ＳＮの動作波長帯域を含む広い波長帯域にわたる励起光を供給する広帯域光源１２０に光結合される。光センサＳ１、Ｓ２、…、ＳＮからの出力光は、センサ導波路光ファイバケーブル１０２上を伝送されて光分波器１３０の入力導波路１３１に到達する。光分波器１３０は、入力導波路１３１上を伝送されるセンサＳ１、Ｓ２、…、ＳＮからの光を空間的に分散させる。様々な実施態様では、光分波器１３０は、例えば透過波長可変構造及び／又はアレイ導波路回折格子を備えることができる。
【００２１】
光分波器１３０の出力は、複数の光検出器を含む検出器ユニット１４０に光結合される。各光検出器は、電気信号を、光検出器の感光面に入光する光が分波されると生成するように構成される。検出器ユニット１４０の光検出器により生成される電気信号が、運搬用構造物からの振動放射音を表わす。
【００２２】
幾つかの実施態様では、検出器ユニット１４０は、少なくともＮ個の光検出器を含む。幾つかの実施態様では、検出器ユニット１４０は、少なくともＮ個の光検出器ペアを含む。これらの実施態様の各実施態様について以下に更に詳細に説明する。更に別の光検出器を使用して、入力光の強度を、例えば入力光を入力導波路１３１から取り出すことにより監視することができる。
【００２３】
再び図１を参照すると、光源１１０からの励起光は、光導波路１０２内を伝搬して光センサＳ１、Ｓ２、…、ＳＮに到達する。入力光は、導波路１０２に沿って離間されるＦＢＧセンサＳ１、Ｓ２、…、ＳＮと相互作用する。各光センサは、入力光の一部を反射し、この反射光は、光センサからの出力光と表記される。全てのセンサからの出力光は、光導波路１０２内を伝搬して、光分波器１３０の入力導波路１３１に到達する。
【００２４】
ファイバブラッグ回折格子センサは、屈折率を光ファイバケーブルのコアの有限長（通常、数ｍｍ）に沿って周期的に変化させることにより形成することができる。このパターンは、ブラッグ波長と呼ばれる波長を反射し、ブラッグ波長は、ＦＢＧセンサの屈折率分布の周期的構造により決定される。実際、センサは通常、ブラッグ波長を中心とする狭波長帯域を反射する。外部刺激の固有値又は基底値のブラッグ波長はλと表わされ、ピーク波長、中心波長、又は重心波長λ（及び、λ近傍の狭波長帯域）を有する光は、当該光が、運搬用構造物からの低振動放射音又は無振動放射音に対応する所定の基底状態にある場合にセンサにより反射される。センサが運搬用構造物からの振動放射音を受けると、振動放射音により格子の周期的構造及びＦＢＧセンサの屈折率が変化することにより、反射光が変化して、反射光が、基底波長λとは異なるピーク波長、中心波長、又は重心波長λＳを有するようになる。結果的に生じる波長シフトΔλ／λ＝（λ−λｓ）／λが振動放射音の測定結果である。ＦＢＧを利用した検出により、複数のセンサ、例えば約６４個のセンサを１個の導波路１０２に組み込むことができる。幾つかの手法では、センサＳ１、Ｓ２、…、ＳＮの各センサは、波長領域多重化及び逆多重化により個々に調査することができる。幾つかの手法では、複数のセンサモジュール内に配置されるセンサは、時間領域多重化と波長領域多重化及び逆多重化を組み合わせることにより個々に調査することができる。
【００２５】
輸送監視システム１００は、データ取得ユニット１５０により収集される振動放射音データを制御するように構成されるデータ取得コントローラ１６０を含む。幾つかの実施形態では、データ取得コントローラ１６０は、励起光源１２０を制御して、事前に選択されたセンサ集合体のみが、励起光を特定の時間窓で、輸送機器が、選択されたセンサの近傍を移動しているときに受光するようにする。幾つかの実施形態では、励起光源は、多くのセンサ又は全てのセンサを励起する光を放出するが、データ取得コントローラ１６０は、移動している輸送機器から遠く離れた他のセンサからの電気信号を無視しながら、移動している輸送機器の近傍に位置するセンサからの電気信号のみを選択的に記録する。これらの方法のいずれかの方法により、データ取得コントローラ１６０は、特定の光センサに関連する振動放射音データの収集を時間窓に制限し、この時間窓では、輸送機器は、光センサの場所から所定の距離内に位置している。このようにして、データ取得コントローラは、振動放射音データの収集を、運搬用構造物に沿った輸送機器の移動に同期させる。移動している輸送機器の近傍の関連センサだけに限定し、輸送機器から遠く離れたセンサからの関連データを収集しないように収集データの量を制限することにより、リソースの割り当てをより良好に行なって、高解像度高頻度センサデータの収集を容易にすることができる。
【００２６】
図２Ａは、運搬用構造物２８１と、構造物２８１に沿って移動し、かつ３つの異なる場所に位置している様子が図示される輸送機器２８２と、を含む輸送システム２８０を示している。センサ２６１〜２７８は、運搬用構造物２８１に沿って離間している場所に配置される。図２Ａは、輸送機器が運搬用構造物２８１に沿って移動するときの第１位置の場所１、第２位置の場所２、第３位置の場所３に位置する輸送機器２８２を示している。輸送機器２８２が場所１に位置している場合、センサ２６３、２６４、２６５が輸送機器２８２の所定距離ｄ内に位置し、監視システムは、データをセンサ２６３、２６４、２６５から収集し、データをセンサ２６１、２６２、２６６〜２７８からは収集しない。輸送機器２８２が場所２に位置している場合、センサ２６９、２７０が輸送機器２８２の所定距離ｄ内に位置し、監視システムは、データをセンサ２６９、２７０から収集し、データをセンサ２６１〜２６７、２７１〜２７８からは収集しない。システムはデータを、境界線に位置するセンサ２６８から収集することができる、又は収集しなくてもよい。輸送機器２８２が場所３に位置している場合、センサ２７４、２７５が輸送機器２８２の所定距離ｄ内に位置し、監視システムは、データをセンサ２７４、２７５から収集し、データをセンサ２６１〜２７３、２７６〜２７８からは収集しない。
【００２７】
図２Ｂは、幾つかの実施形態による監視システム２００を示す概念図である。図２Ｂに示すように、センサ１１０は、３つのセンサモジュール２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ内に配置される。センサモジュール２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、励起光源１２０及び光分波器１３０に並列接続される。各センサモジュール２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、光導波路２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃに沿って直列に配置される複数のセンサ１１０を含む。センサ群１１０は、運搬用構造物２９９に沿って離間される。輸送機器（図２Ａには図示されず）が運搬用構造物２９９に沿って移動すると、データ取得コントローラ１６０は、１つのセンサアレイからのデータ収集を別のセンサアレイからのデータ収集に移行させる、及び／又はあるセンサアレイ内の１つのセンサグループからのデータ収集を同じセンサアレイ内の別のセンサグループからのデータ収集に移行させる。
【００２８】
例えば、輸送機器が矢印２９８で示す方向に移動している場合、データ取得コントローラ１６０は、センサモジュール２１０ａからのデータ収集をセンサモジュール２１０ｂからのデータ収集に、センサモジュール２１０ｃからのデータ収集に、輸送機器の移動に合わせて移行させる。輸送機器が矢印２９７で示す方向に移動している場合、データ取得コントローラ１６０は、センサモジュール２１０ｃからのデータ収集をセンサモジュール２１０ｂからのデータ収集に、センサモジュール２１０ａからのデータ収集に移行させる。
【００２９】
幾つかの実施形態では、データ取得コントローラ１６０は、輸送機器の位置及び速度を、センサモジュール内の第１センサ集合体、例えばセンサ１１０ａ及び１１０ｂのような少なくとも２つのセンサに基づいて判断する。列車又は他の輸送機器がＦＢＧセンサ１１０ａの上を通過すると、センサ１１０ａにより検出される振動放射音により、センサ１１０ａの反射波長が閾値だけシフトする。閾値が、２つの物理的に分離されたＦＢＧ（ファイバブラッグ回折格子）１１０ａ、１１０ｂと一致する場合、輸送機器の速度及び方向を判断することができる。輸送機器の速度及び方向に基づいて、データ取得コントローラ１６０は、能動的に監視されることになる複数のＦＢＧ（ファイバブラッグ回折格子）のうち第２ＦＢＧ集合体を決定する。能動的に監視されるＦＢＧ集合体の電気信号は、データ取得ユニット１５０により記録される。データ取得コントローラ１６０は、輸送機器の速度及び／又は位置の調整を、更に別のセンサからの情報に基づいて行なうことができる。幾つかの実施形態では、同じセンサを使用して、輸送機器の速度及び位置を検出することができ、運搬用構造物の動作状態を監視することができ、例えば正常動作状態又は異常動作状態について監視することができる。運搬用構造物の異常動作状態として、破損、劣化、異常負荷などを挙げることができる。例えば、運搬用構造物の正常動作状態として、正常な負荷レベル、正常な負荷分布、ジョイント近傍の隙間間隔、鉄道軌道／路面電車軌道拘束の拘束力、湿度／温度の高さなどを挙げることができる。運搬用構造物の異常動作状態として、亀裂、破損、異常レベル又は過負荷レベル、異常負荷分布、転動疲労、腐食、摩滅、摩耗、構造座屈、及び他の障害を挙げることができる。移動可能な輸送機器構造物の正常動作状態として、正常な負荷レベル、正常な負荷分布、速度、乗車料金通知に際して乗務員に掛かる負荷レベル、車軸数／鉄道車両数、列車長などを挙げることができる。輸送機器の異常動作状態として、亀裂、破損、異常負荷レベル、異常負荷分布、転動疲労、腐食、摩滅、摩耗、構造座屈、及び他の障害を挙げることができる。幾つかの実施形態では、センサモジュールは、速度及び位置を判断するための専用の第１センサ集合体と、輸送システムの動作状態を監視するための専用の第２センサ集合体と、を含む。
【００３０】
幾つかの実施形態では、センサにより反射される光の飛行時間を使用して、光センサからのデータ取得を制御して、データ収集を輸送機器の移動に同期させることができる。図２Ｃは、センサ２１１ａ〜２２５ａを含むセンサアレイ２１０ａを示しており、センサ２１１ａ〜２１５ａは第１グループにグループ化され、センサ２１６ａ〜２２０ａは第２グループにグループ化され、センサ２２１ａ〜２２５ａは第３グループにグループ化される。第１センサグループと検出器ユニットとの間の距離は、第２及び第３センサグループと検出器ユニットとの間の距離よりも短いので、光が第１センサ群により反射されて検出器ユニットに到達するのに要する時間は、光が第２及び第３センサグループにより反射されて検出器ユニットに到達するのに要する時間よりも短い。
【００３１】
第１センサグループ２１１ａ〜２１５ａによる反射光は、光分波器１３０に期間ｔ１中に到達し、第２センサグループ２１６ａ〜２２０ａによる反射光は、光分波器１３０に期間ｔ２＞ｔ１中に到達し、第３センサグループ２２１ａ〜２２５ａによる反射光は、光分波器１３０に期間ｔ３＞ｔ２＞ｔ１中に到達する。１つのセンサグループの各センサは、同じグループの他のセンサとは異なる固有波長を有することができる。幾つかの実施形態では、センサ２１１ａ、２１６ａ、及び２２１ａは全て、固有波長λ１を有し、センサ２１２ａ、２１７ａ、及び２２２ａは全て、固有波長λ２≠λ１を有し、センサ２１３ａ、２１８ａ、及び２２３ａは全て、固有波長λ３≠λ２≠λ１を有し、センサ２１４ａ、２１９ａ、及び２２４ａは全て、λ４≠λ３≠λ２≠λ１を有し、センサ２１５ａ、２２０ａ、及び２２５ａは全て、波長帯域λ５≠λ４≠λ３≠λ２≠λ１の光を反射する。従って、データ取得コントローラ１６０は、データ収集を輸送機器の移動に、光センサにより反射される光の波長帯域に従った波長分割逆多重化、及び光センサ信号の飛行時間に従った時分割逆多重化の両方を使用して同期させることができる。検出器ユニット１４０により生成される電気信号データを収集した後、監視システムプロセッサ１７０は、運搬用構造物の状態を、データ取得ユニットにより収集される電気信号のパターンを既知のパターンと照合することにより判断する。
【００３２】
図３Ａは、例えば図２Ｂに示すマルチモジュールセンサアレイを含む実施形態によるセンサデータを収集する方法を示すフロー図である。空間的に離れた２つのセンサからの閾値以上の絶対値を有する信号をＤＡコントローラにより検出する３０５、３１５ことにより、データ収集が開始される。第２光センサが、閾値に等しい、又は閾値を上回る信号絶対値を記録した３１５後、データ取得コントローラは、輸送機器の速度及び方向を決定する３２５。輸送機器の運動速度及び運動方向に基づいて、データ取得コントローラは、輸送機器がセンサモジュールの上を通過することになる次のセンサモジュールを判断する。データ取得コントローラは、信号を励起光源に送信して、光源が励起光パルスを、データ取得コントローラが選択したセンサモジュールに向かって放出するようにする３３５。当該モジュールの光センサにより励起光に応じて反射される光信号は、光分波される３４５。選択したモジュールのセンサからの電気信号データは、輸送機器の移動に合わせて取得される３５５。各センサの電気信号は、輸送機器がセンサから所定の距離内に位置している期間中に取得される。
【００３３】
図３Ｂは、飛行時間情報を使用して図２Ｃに示す監視システムにより収集される電気信号を選択する実施形態によるセンサデータを収集する方法を示すフロー図である。空間的に離れた２つのセンサからの閾値以上の絶対値を有する信号をデータ取得コントローラにより検出する３１０、３２０ことにより、データ収集が開始される。第２光センサが、閾値に等しい、又は閾値を上回る信号絶対値を記録した３２０後、データ取得コントローラは、輸送機器の速度及び方向を判断する３３０。広帯域励起光パルスをアレイのセンサ群に供給し３４０、これらのセンサが光を、励起光パルスに応答して反射する。反射光を光分波し３５０、分波後の光信号を電気信号に検出器ユニットにより変換する３６０。
【００３４】
データ取得コントローラは、電気信号を処理して、センサからの光信号の飛行時間を決定する３７０。光信号の飛行時間を使用して、センサの場所を決定する３８０ことにより、データ取得コントローラは、センサからの電気信号の収集を輸送機器の移動に同期させることができる。データ取得コントローラは、データ収集先のセンサが、移動している輸送機器から所定の距離内に位置するようにデータをセンサから移動時間窓で収集する３９０。
【００３５】
図３Ｃのフロー図は、センサから収集される取得電気信号を分析して輸送システムの状態を判断するプロセッサ（図１の１７０参照）の動作を示している。まず、プロセッサは、取得電気信号及び／又は取得電気信号の特徴点を、信号／特徴点テンプレートと比較し３０１、信号／特徴点テンプレートは、１つ以上の代表的な信号セグメント及び／又は１つ以上の信号特徴点、例えば正常パラメータ内に収まる状態、例えば無劣化、又は無故障、予測速度、負荷、及び負荷分布を特徴付ける振動数成分、振動波数、又は振動ピーク、信号振幅などを含む。幾つかの実施形態では、システムは、取得電気信号を複数の正常信号／特徴点テンプレートと比較することができ、各正常信号／特徴点テンプレートは、輸送システムの異なる正常状態を特徴付ける。取得電気信号が、正常信号／特徴点テンプレートのいずれかに一致する３０３場合、監視システムは輸送システムを、更に別の電気信号を光センサから取得することにより監視し続ける３１１。
【００３６】
しかしながら、取得電気信号が、正常信号／特徴点テンプレートに一致しない３０３場合、プロセッサは、更に別のステップを実施して、輸送システムの状態を判断する。プロセッサは、１つ以上の代表的な信号セグメント及び／又は１つ以上の信号特徴点、例えば振動数成分、振動波数、又は振動ピーク、信号振幅などを含む格納正常信号／特徴点テンプレートライブラリを含む。これらの信号／特徴点テンプレートのうち少なくとも幾つかの信号／特徴点テンプレートは、輸送システムの異常状態、例えば運搬用構造物の破損、運搬用構造物及び／又は輸送機器の１種類以上の劣化を特徴付けることができる。これらの信号／特徴点テンプレートのうち少なくとも幾つかの信号／特徴点テンプレートは、輸送システムの他の状態、例えば輸送機器の負荷及び／又は負荷分布などを特徴付けることができる。信号／特徴点テンプレートは、実験により取得することができる、いくつかのシステムモデル又はシステム表現から生成することができる、もしくは本明細書に記載される監視システムにより取得することができる。
【００３７】
プロセッサは、第１信号／特徴点テンプレートをテンプレートライブラリから選択し３２１、選択したテンプレートを取得電気信号と比較する。選択した信号テンプレートが取得電気信号に一致する３２１場合、プロセッサは、輸送システムの作業員に通知する措置３２３を採る。選択した信号テンプレートが取得電気信号に一致しない３２１場合、プロセッサは、チェック３３１を行なって、比較すべき更に多くのテンプレートがあるかどうかを判断する。プロセッサは、ライブラリのテンプレートを、比較すべきテンプレートが無くなるまで３３１比較し続ける。取得電気信号が、ライブラリのテンプレート群のいずれのテンプレートにも一致しない場合、プロセッサは、取得したテンプレートを、輸送システムの未知の状態を表わす新規テンプレートとして格納する３４１ことができる。プロセッサに書き込みを行なって作業員に、新規テンプレートを取得して作業員が輸送システムを点検して輸送システムの状態を特定することができることを通知する３４３ことができる。作業員は、あるラベルを入力して、プロセッサが当該ラベルを新規テンプレートに関連付けることができるようにする。ラベル及び新規テンプレートは、テンプレートライブラリに格納され、引き続き使用されることにより、作業員が割り当てたラベルにより特定される状態を検出することができる。
【００３８】
本明細書において開示される実施形態は、図４に示すように、センサを複数設ける場合に、波長分割多重化及び波長分割逆多重化を行なうことができる。図４の例では、複数の多重化光信号が導波路４０２により伝送される。これらの多重化信号は、光分波器４３０により光分波され、光分波器４３０は、この例では、検出用に設計されるアレイ導波路回折格子（ａｒｒａｙｅｄ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｇｒａｔｉｎｇ：ＡＷＧ）である。図４は、幾つかの実施形態による輸送監視システムの光学素子の動作を示している。（簡単のため、データ取得コントローラ及びプロセッサは図示されていないことに留意されたい）。図４は、複数のＦＢＧセンサＦＢＧ１、ＦＢＧ２、．．．ＦＢＧＮを示しており、これらのセンサは、前に説明したように、運搬用構造物に沿って、互いに離間して配置することができる。ＦＢＧ１は、ピーク波長、中心波長、又は重心波長λ１を有する波長帯域で動作し、ＦＢＧ２は、ピーク波長、中心波長、又は重心波長λ２を有する波長帯域で動作し、ＦＢＧＮは、中心波長λＮを有する波長帯域で動作する。運搬用構造物及び／又は輸送機器からの振動放射音であって、輸送機器が運搬用構造物に沿って走行しているときに発生する振動放射音により、センサＦＢＧ１、ＦＢＧ２、．．．ＦＢＧＮにより反射される光の波長がシフトする。振動放射音に応じた波長シフトは、個々のＦＢＧの固有基底波長間の間隔と比べて小さい。従って、情報を異なるＦＢＧから、アレイ導波路回折格子、リニア可変フィルタ、及び／又は他の分散素子のような分散素子を光波長分割逆多重化方式において使用して分離することができる。本明細書において以下に更に詳細に説明されるように、幾つかの実施形態では、光時分割多重化方式は、任意に実行することができ、波長分割逆多重化方式と併せて使用することができる。
【００３９】
光源４２０は、励起光をＦＢＧに光サーキュレータ４１５を介して供給するように構成される。光源４２０は、励起光をＦＢＧセンサの各ＦＢＧセンサに対応して、センサ群の全てについて予測される反射波長範囲にわたって供給するために十分広い帯域を有する。ＡＷＧ４３０は、Ｎ個の出力導波路ペア４４５を含むことができ、各出力導波路ペア４４５は、特定のＦＢＧによる反射波長の近傍の波長を中心とする。光源４２０からの励起光は、サーキュレータ４１５内を伝搬して、ＦＢＧにより出力光として反射される。ＦＢＧからの出力光は、センサ光導波路４０２によりサーキュレータ４１５内を伝送されてＡＷＧ４３０の入力導波路４４１に到達する。ＡＷＧ４３０は、この実施形態では、波長ドメイン光分波器として使用される。光分波器として使用される場合、ＡＷＧ入力導波路４４１からの光は、光の波長によって異なるが、回折により分散されて出力導波路４４５に到達する。例えば、ＡＷＧは、１５５０ｎｍの中心波長を有することができ、１００ＧＨｚのチャネル間隔（当該波長では０．８ｎｍ）を有する１６個の出力チャネルを有することができる。このシナリオでは、１５４９．６ｎｍの波長の入力光は、チャネル８に入射することになり、１５５０．４ｎｍの波長の入力光は、チャネル９に入射することになるなどである。
【００４０】
幾つかの構成では、ＡＷＧは、入力導波路４４１と、第１スラブ導波路４４２と、アレイ導波路４４３と、第２スラブ導波路４４４と、出力導波路４４５と、を含む。これらのアレイ導波路４４３の各アレイ導波路は、隣のアレイ導波路よりも徐々に長くなる。入力導波路４４１からの光は、第１スラブ導波路４４２内で分岐されて、これらのアレイ導波路４４３内を分かれて伝搬する。各アレイ導波路４４３の出力では、当該光により、波長によって異なる位相シフトが生じ、この位相シフトも１つの波長から隣の波長になるにつれて徐々に大きくなる。アレイ導波路４４３の出力は、コヒーレント光源アレイに類似している。従って、アレイ導波路４４３から放出されて第２スラブ導波路４４４に入射する光の伝搬方向は、回折格子におけるように、光源間の位相シフト増分、従って波長増分によって異なる。
【００４１】
幾つかの実施形態では、ＡＷＧ（又は、他の光分波器）及び検出器ユニット４４０は、平面光波回路として、すなわち集積光デバイスとして構成することができる。例えば、これらのシステム構成要素は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハから、光線リソグラフィ技術及び／又は電子線リソグラフィ技術を使用して形成することができる。平面光波回路は、シリコンを異方性エッチングして形成されるＶ溝を使用して位置合わせされる光ファイバに接続することができる。他の半導体、例えばゲルマニウムとのハイブリッド集積が可能であり、光検出をシリコンのバンドギャップよりも狭いエネルギーで行なうことができる。
【００４２】
ＡＷＧ４３０では、アレイ導波路４４３の出力（及び、従ってスラブ導波路４４４の入力側）は、所定の曲率半径を有する円弧に沿って並んでいるので、これらのアレイ導波路４４３からの光は、第２スラブ導波路４４４内を伝搬して、ある有限距離だけ離れた焦点に集光する。出力導波路４４５の入力は、予定通り、特定の波長に対応する焦点に配置されるが、これらの入力は、後で説明するように、焦点の前方又は後方のいずれかに設定されて、「クロストーク」を出力導波路間に意図的に発生させるようにしてもよい。従って、ＡＷＧ４３０の入力４４１の光は、当該光の波長によって異なるが、出力導波路群４４５のうちの所定の１つの出力導波路に受動的に経路伝搬する。従って、センサＦＢＧ１、ＦＢＧ２、ＦＢＧＮからの出力光は、当該反射出力光の波長によって異なるが、出力導波路群４４５に経路伝搬する。
【００４３】
これらの出力導波路４４５は、光検出器、例えば２Ｎ個の光検出器を含む検出器ユニット４４０に光結合される。ＡＷＧ内で空間的な波長分散が行なわれることにより、センサＦＢＧ１、ＦＢＧ２、…、ＦＢＧＮからの出力光は、検出器ユニット４４０の表面全体にわたって空間的に分散される。光検出器は、出力導波路からの光を検出し、輸送システムの振動放射音に関する情報を含む電気信号を生成する。
【００４４】
例えば、導波路４０１により伝送される複数の光信号は合波信号である。これらの合波信号は、光分波器４３０により光分波される。
【００４５】
図５Ａは、センサ出力を光合波する監視システムの動作を示している。図５Ａに示すように、広帯域光が光源５２０から放出され、光源５２０は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）又は超発光形レーザダイオード（ＳＬＤ）を備えることができる、もしくは発光ダイオード（ＬＥＤ）又は超発光形レーザダイオード（ＳＬＤ）とすることができる。広帯域光のスペクトル特性（強度と波長の関係）が挿入グラフ５９１で示される。光は、光ファイバケーブル５１１内を透過して第１ＦＢＧセンサ５２１に到達する。第１ＦＢＧセンサ５２１は、ピーク波長、中心波長、又は重心波長λ１を有する第１波長帯域光の一部を反射する。第１波長帯域内の波長以外の波長を有する光は、第１ＦＢＧセンサ５２１内を透過して第２ＦＢＧセンサ５２２に到達する。透過して第２ＦＢＧセンサ５２２に到達する光のスペクトル特性は、挿入グラフ５９２で示され、切り欠きを、λ１を中心とする第１波長帯域に有し、この波長帯域の光が、第１センサ５２１により反射されることを示している。
【００４６】
第２ＦＢＧセンサ５２２は、中心波長、又はピーク波長λ２を有する第２波長帯域の光の一部を反射する。第２ＦＢＧセンサ５２２により反射されない光は、第２ＦＢＧセンサ５２２内を透過して第３ＦＢＧセンサ５２３に到達する。透過して第３ＦＢＧセンサ５２３に到達する光のスペクトル特性は、挿入グラフ５９３で示され、λ１及びλ２を中心とする切り欠きを含んでいる。
【００４７】
第３ＦＢＧセンサ５２３は、中心波長又はピーク波長λ３を有する第３波長帯域の光の一部を反射する。第３ＦＢＧセンサ５２３により反射されない光は、第３ＦＢＧセンサ５２３内を透過する。第３ＦＢＧセンサ５２３内を透過する光のスペクトル特性は、挿入グラフ５９４で示され、λ１、λ２、及びλ３を中心とする切り欠きを含んでいる。
【００４８】
中心波長λ１、λ２、及びλ３を有する波長帯域５８１、５８２、５８３の光（挿入グラフ５９５で示される）は、第１、第２、又は第３ＦＢＧセンサ５２１、５２２、５２３、それぞれにより、光ファイバケーブル５１１及び５１１’に沿って反射されて光波長分波器に到達する。波長分波器から、センサ光が経路伝搬して検出器ユニットに到達し、検出器ユニットが光信号を前に説明した通りに電気信号に変換する。
【００４９】
幾つかの場合では、センサによる反射光は、時分割多重化することができる。時分割多重化は、波長分割多重化の代わりに、又は波長分割多重化の他に使用することができる。１つのシナリオでは、広帯域励起光を放出するのではなく、光源をデータ取得コントローラにより制御して、波長範囲全体にわたって光走査を行なうことにより、複数の狭波長帯域の光パルスを放出することができ、各狭波長帯域は、センサ群のうちの１つのセンサの動作波長帯域に対応する。センサによる反射光は、狭波長帯域の光パルスの放出時間に合わせた複数の検出期間中に検出される。
【００５０】
例えば、図５Ｂに示すセンサ、及び図５Ｃのタイミング図について考察する。図５Ｂは、光ファイバケーブル上に配置されるセンサＦＢＧ１、ＦＢＧ２、．．．ＦＢＧＮを示している。ＦＢＧ１は、中心波長λ１を有する波長帯域で動作し、ＦＢＧ２は、中心波長λ２を有する波長帯域で動作し、ＦＢＧＮは、中心波長λＮを有する波長帯域で動作する。
【００５１】
図５Ｃのタイミング図は、励起光パルスのタイミング、及びセンサの検出期間を示している。光源は、データ取得コントローラにより制御して、波長λ１を有する励起光パルスを期間Ｔ１中に放出することができる。データ取得コントローラは、検出器ユニットを制御して反射光を、期間Ｔ１と重なる期間Ｔ１ａ中に検出する。期間Ｔ１ａの後、光源は、波長λ２を有する励起光を期間Ｔ２中に放出し、反射光を、期間Ｔ２と重なる期間Ｔ２ａ中に検出する。期間Ｔ２ａの後、光源は、波長λＮを有する光を期間ＴＮ中に放出し、反射光を、期間ＴＮと重なる期間ＴＮａ中に検出する。この方式の光時間分割多重化を使用して、センサＦＢＧ１、ＦＢＧ２、．．．ＦＢＧＮの各センサを離散期間中に調査することができる。
【００５２】
輸送システム監視に使用される光ファイバケーブルは、シングルモード（ＳＭ）ＦＯケーブルを備えることができる、又はマルチモード（ＭＭ）ＦＯケーブルを備えることができる。シングルモード光ファイバケーブルは、解読が容易な信号を供給して、広範な適用可能性を実現し、組立コストを下げるが、マルチモードファイバを使用してもよい。
【００５３】
ＭＭファイバは、ＳＭファイバに通常使用されるシリカではなく、プラスチックにより作製することができる。ＭＭファイバは、超発光形ダイオード（ＳＬＤ）とのより高精度な位置合わせが必要とされるＳＭファイバとは異なり、安価な光源（例えば、ＬＥＤ）で動作することができる。従って、ＭＭファイバの光センサを利用する検出システムは、より低コストのシステムを生み出すことができる。
【００５４】
図６は、シングルモード光ファイバケーブルに設置されるＦＢＧセンサにより反射される光の理想的な分布である。固有の基底状態又は既知の状態では、ＦＢＧセンサは、重心波長λを有する比較的狭い波長帯域６１０の光を反射する。ＦＢＧセンサに、輸送システムからの振動放射音を表わす歪みの変化が生じた後、センサにより反射される光は、重心波長λＳを有する異なる波長帯域６２０にシフトする。波長帯域６２０は、波長帯域６１０と比較すると、幅、振幅、及び又は他の形態的特徴の点で同様とすることができるが、波長帯域６２０の重心波長λＳが波長帯域６１０の重心波長λから、振動放射音により生じる歪みの変化に関連する量６３０だけシフトしている。同様の幅の波長帯域は、波長帯域が、例えば同様の半値全幅（ＦＷＨＭ）値を有するものとして特定することができる。
【００５５】
図７、図８、及び図９は、波長シフト検出器ユニットの様々な構成を示しており、波長シフト検出器ユニットを使用して、運搬用構造物及び／又は輸送機器の振動放射音を検出することができる。これらの構成により、高解像度信号の取得が可能になり、高解像度信号を既知の信号／特徴点テンプレートとパターン照合することにより、輸送システムの動作状態を決定することができる。本明細書に開示される波長シフト検出器ユニットを使用することにより、約１００ｆｍと２０ｆｍとの間の解像度、又は７０ｆｍと３０ｆｍとの間の解像度、例えば５０ｆｍ以下の解像度を有する機械的変位を表わす信号を取得することができ、これにより広範囲の正常動作状態及び異常動作状態を見分けることができる。
【００５６】
図７は、幾つかの実施形態による波長ドメイン光分波器として使用されるＡＷＧの出力導波路、及び検出器ユニットを更に詳細に示している。この構成では、２Ｎ個の光検出器をそれぞれ接続して光をＮ個のセンサから受光する。ＡＷＧは、重心波長λ１、λ２、．．．λＮを有するセンサ出力光を空間的に分散させて、出力導波路ペア８４５ａ、ｂ、８４６ａ、ｂ、．．．８４７ａ、ｂに到達させる。重心波長λ１を有するセンサ出力光を分散させて導波路８４５ａ、８４５ｂに到達させ；重心波長λ２を有するセンサ出力光を分散させて導波路８４６ａ、８４６ｂに到達させ；重心波長λＮを有するセンサ出力光を分散させて導波路８４７ａ、８４７ｂに到達させるなどである。出力導波路８４５ａからの光は、信号Ｉ１１を検出光に応じて生成する光検出器８５５ａに光結合させ；出力導波路８４５ｂからの光は、信号Ｉ１２を検出光に応じて生成する光検出器８５５ｂに光結合させ；出力導波路８４６ａからの光は、信号Ｉ２１を検出光に応じて生成する光検出器８５６ａに光結合させ；出力導波路８４６ｂからの光は、信号Ｉ２２を検出光に応じて生成する光検出器８５６ｂに光結合させ；出力導波路８４７ａからの光は、信号ＩＮ１を検出光に応じて生成する光検出器８５７ａに光結合させ；出力導波路８４７ｂからの光は、信号ＩＮ２を検出光に応じて生成する光検出器８５７ｂに光結合させる。
【００５７】
センサの出力光の重心波長が歪みに応じてシフトすると、ＡＷＧにより、センサの出力光の空間位置もシフトするようになる。例えば、図７に示すように、最初に重心波長λ１を有するセンサ出力光が重心波長λ１＋Δ１にシフトする場合、出力導波路８４５ａにより伝送される光量が減少し、出力導波路８４５ｂにより伝送される光量が増加する。従って、光検出器８５５ａにより検出される光量は、光電流Ｉ１及びＩ２が対応して変化するにつれて減少し、光検出器８５５ｂにより検出される光量が増加する。従って、センサに生じる歪みが変化することにより、出力光の重心波長がλ１からλ１＋Δ１にシフトするようになり、これにより今度は、Ｉ１１とＩ１２の比が変化するようになる。
【００５８】
各フォトダイオードの光電流は、抵抗又はトランスインピーダンスアンプで電圧に変換され、検出されてデジタル化される。波長シフトは、第ｉＦＢＧについて以下の数式に従って計算することができる：
【００５９】
【数１】
2018177527.tif 000003
【００６０】
式中、λｉは、第ｉＦＢＧの推定波長であり、λｉ０は、出力導波路ペアの中心波長であり、Δλは、出力導波路ペアのピーク透過波長の間の波長間隔であり、光電流Ｉ２ｉ及びＩ２ｉ−１は、ペアの各導波路の出力の光検出器により記録される光強度を表わす。幾つかの実施形態では、これらのＦＢＧは、Δλ／２に略等しいＦＷＨＭを有するので、ＦＢＧによる反射ピークがペアの一方の光検出器から他方の光検出器にシフトすると、ペアの差分信号に継続的かつ単調な変化が生じる（上の数式の分子）。幾つかの実施形態によれば、電圧信号Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１、Ｖ２２、ＶＮ１、ＶＮ２を記録して、既知の信号／特徴点テンプレートと比較することにより、輸送システムの状態を特定することができる。
【００６１】
図８は、幾つかの実施形態による波長ドメイン光分波器として使用されるＡＷＧの出力導波路、及び検出器ユニットの別の構成を更に詳細に示している。この構成では、Ｎ個の光検出器をそれぞれ接続して光をＮ個のセンサから受光する。ＡＷＧは、重心波長λ１、λ２、．．．λＮを有するセンサ出力光を空間的に分散させて、出力導波路８４５、８４６、．．．８４７に到達させる。重心波長λ１を有するセンサ出力光を分散させて導波路８４５に到達させ；重心波長λ２を有するセンサ出力光を分散させて導波路８４６に到達させ；重心波長λＮを有するセンサ出力光を分散させて導波路８４７に到達させるなどである。出力導波路８４５からの光は、信号Ｉ１を検出光に応じて生成する光検出器８５５に光結合させ；出力導波路８４６からの光は、信号Ｉ２を検出光に応じて生成する光検出器８５６に光結合させ；出力導波路８４７からの光は、信号ＩＮを検出光に応じて生成する光検出器８５７に光結合させる。
【００６２】
センサの出力光の重心波長が検出パラメータに応じてシフトすると、ＡＷＧにより、センサの出力光の空間位置もシフトするようになる。例えば、図８に示すように、最初に重心波長λ１を有するセンサ出力光が重心波長λ１＋Δ１にシフトする場合、出力導波路６４５により伝送される光量が増加する。従って、光検出器８５５により検出される光量は、光電流Ｉ１が対応して変化するにつれて増加する。従って、運搬用構造物からの振動放射音により、センサ出力光の重心波長がλ１からλ１＋Δ１にシフトするようになり、これにより今度は、Ｉ１が変化するようになる。幾つかの実施形態によれば、光電流Ｉ１、Ｉ２、ＩＮを電圧信号Ｖ１、Ｖ２、ＶＮに変換することができる。電圧信号Ｖ１、Ｖ２、ＶＮを記録して既知の信号／特徴点テンプレートと比較することにより、輸送システムの状態を特定することができる。
【００６３】
励起光源強度の変動により生じる光検出器電流の変化は、センサ出力光の波長シフトにより生じる光検出器電流の変化から、光源強度を電流ＩＮ＋１を生成する更に別の光検出器８９９で測定することにより区別することができる。次に、波長シフトは、センサ１に関する比Ｉ１／ＩＮ＋１、及びセンサ２に関する比Ｉ２／ＩＮ＋１などに基づいて計算することができる。
【００６４】
図９は、幾つかの実施形態による波長ドメイン光分波器として使用されるＡＷＧの出力導波路、更に別の分散素子、及び検出器ユニットを更に詳細に示している。この例では、初期重心波長λ１、λ２、．．．λＮを有するセンサ１、２．．．Ｎからの出力光をそれぞれ、空間的に分散させてＡＷＧの出力導波路９４５、９４６、．．．９４７に到達させる。出力導波路９４５、９４６、．．．９４７からの光は、リニア可変透過波長構造（ＬＶＴＳ）９６５、９６６、．．．９６７、又は他の空間分散光学素子に入射させる。
【００６５】
任意であるが、ＬＶＴＳは、拡散素子９５５、９５６．．．９５７を含み、これらの拡散素子は、出力導波路９４５、９４６．．．９４７からの光をＬＶＴＳ９６５、９６６、．．．９６７の入射面全体にわたってコリメート化させる、及び／又は拡散させるように構成される。光の十分な拡散が出力導波路９４５、９４６．．．９４７により行なわれる構成では、拡散素子を使用しなくてもよい。ＬＶＴＳ９６５、９６６、．．．９６７は、プリズム又はリニア可変フィルタのような分散素子を含む。ＬＶＴＳ９６５、９６６、．．．９６７は、光を当該ＬＶＴＳの入射面９６５ａ、９６６ａ、．．．９６７ａで、導波路９４５、９４６、．．．９４７、及び（任意であるが）拡散素子９５５、９５６、．．．９５７から受光し、光を当該ＬＶＴＳの出射面９６５ｂ、９６６ｂ、．．．９６７ｂから透過させて光検出器ペア９７５、９７６、．．．９９７に到達させる。ＬＶＴＳ９６５、９６６、．．．９６７の出射面９６５ｂ、９６６ｂ、．．．９６７ｂでは、当該光の波長は、当該出射面に沿った距離とともに変化する。従って、ＬＶＴＳ９６５、９６６、．．．９６７は、ＬＶＴＳ９６５、９６６、．．．９６７の入射面９６５ａ、９６６ａ、．．．．９６７ａに入射する光信号を、当該光の波長に応じて、更に細かく分波するように機能することができる。
【００６６】
図９は、ＬＶＴＳ９６５から放出される光の２つの波長帯域を示しており、初期の発光帯域は、出射面９６５ｂに沿った基準位置（ＲＥＦ）から距離ｄ１の位置から放出される光の重心波長λ１を有する。検出パラメータに応じて、初期波長帯域が、重心波長λ１＋Δ１を有する波長帯域にシフトする。シフト後の波長帯域で光が、基準位置から距離ｄΔ１の位置から放出される。
【００６７】
光検出器ペア９７５は、ＬＶＴＳ９６５に対して位置決めされて、ＬＶＴＳ９６５内を透過する光が光検出器ペア９７５に入光するようにする。例えば、波長λ１を有する光は主として、光検出器９７５ａに入光し、波長λ１＋Δ１を有する光は主として、光検出器９７５ｂに入光する。光検出器９７５ａは信号Ｉ１１を、光が当該光検出器の感光面に入光すると生成し、光検出器９７５ｂは信号Ｉ１２を、光が当該光検出器の感光面に入光すると生成する。光電流Ｉ１１、Ｉ１２は、前に説明したように、電圧信号に変換することができる。電圧信号は、記録して、既知の信号／特徴点テンプレートと比較することにより、輸送システムの状態を判断することができる。
【００６８】
従来、ＡＷＧは、高速通信システムに使用されており、隣接チャネル間のクロストークを最小限に抑えるように設計される。これは、ビットエラーレートを非常に低く抑えて（約１０−１２）、ビットエラーレートが、光が１つのチャネルから隣のチャネルに漏れ込む場合に準最適となるようにする必要があるので、デジタル通信には重要である。本明細書に記載の実施形態は、検出用に設計されたＡＷＧを伴う。これらのＡＷＧにより、クロストークを隣接チャネル間に意図的に発生させる。
【００６９】
幾つかの実施形態では、クロストークを発生させるＡＷＧは、出力導波路ペアの隣接出力導波路間の中心間間隔が、出力導波路の位置の光スポットサイズよりも小さくなるように構成され、光スポットサイズは、当該スポットの強度の半値全幅（ＦＷＨＭ）である。図１０Ａでは、ＡＷＧの出力カプラーが、出力導波路群の間隔が「正常な」電気通信動作が行なわれる場合の間隔から短くなってクロストークが隣接チャネル間に発生している状態として図示されている。この場合、隣接するアレイ導波路の間の長さ増分がΔＬである。この増分は、ＡＷＧの中心波長のｍ倍として予定通りに選択されて（ｍは、ＡＷＧの回折次数を表わす）、中心波長の光がＡＷＧの中心出力導波路から出射されるようになる。これらのアレイ導波路の間隔はｄであり、波長の変化Δλに対応する出力導波路の入力にある光スポットの位置の変化は次式で与えられる：
【００７０】
【数２】
2018177527.tif 000004
【００７１】
式中、ｆは、アレイ導波路から出力導波路までの距離である（スラブ導波路の入射面及び出射面の両方の曲率半径もｆであるので、光スポットが、出力導波路に集光することに留意されたい）。
【００７２】
出力導波路ペアの間隔は、ＦＢＧにより反射される波長がＦＢＧの距離にわたって変換されるときにスポットがもっぱら一方の導波路からもっぱら他方の導波路まで並進移動する距離を表わす必要がある。すなわち、反射中心波長が変化Δλする場合、当該ペアの間隔は、上の数式に従って選択される必要がある。しかしながら、異なる出力導波路ペアの中心波長は、干渉が異なるペア間で生じることがないように調整されているはずである（例えば、８個のチャネルがＡＷＧ内で、等間隔で離間している場合、第２センサ７及び８に対応する第１センサ４及び５のチャネル１及び２を第３センサに使用することにより、所定の環境におけるセンサ読み出し値を十分離すことができる）。
【００７３】
幾つかの実施形態では、出力導波路ペアの位置における光スポットサイズは、センサの動作範囲にわたって予測されるスポットの横方向並進移動距離にほぼ等しく、センサの動作範囲が今度は、ペア間隔にほぼ等しくなる必要がある。スポットが間隔と比較して非常に幅広である場合、ペア内の２つの出力導波路の間の差分信号は小さくなり、スポットが非常に幅狭である場合、センサのダイナミックレンジが小さく制限される。スポットサイズは、回折を考慮に入れることによりほぼ
【００７４】
【数３】
2018177527.tif 000005
【００７５】
であると推定され、Ｋは、アレイ導波路の数であり、λは動作波長である。
【００７６】
スポットサイズをチャネル間隔に対して、例えば出力導波路間隔を短くすることにより、出力導波路の入力に位置するスポットサイズを大きくすることにより、及び／又は出力導波路をアレイ導波路の焦点から離れるように移動させることにより調整するために使用することができる多くの方法が存在する。
【００７７】
図１０Ａでは、チャネル間隔／スポットサイズの比は、スポットサイズを一定に保持し（当該スポットサイズが、動作するための最適なサイズに既になっていて、例えば最適な動作を行なうことができると仮定する）、かつ出力導波路間隔を短くすることにより調整される。図１０Ｂでは、チャネル間隔が、上記考察に従って十分である、例えば最適であると推定されるが、スポットサイズを、アレイ導波路の数Ｋを減らすことにより大きくして、当該スポットサイズの最適範囲に収まるようにする。Ｋの良好値を、
【００７８】
【数４】
2018177527.tif 000006
【００７９】
の関係を設定することにより
【００８０】
【数５】
2018177527.tif 000007
【００８１】
の関係が成り立つ場合に上の方程式を組み合わせることにより見つけ出すことができる。また、チャネル間隔に対するスポットサイズの調整は、出力導波路をアレイ導波路の焦点ｆ０から離れるように新規の距離ｆの位置まで移動させることにより行なって、スポットサイズがおよそ、
【００８２】
【数６】
2018177527.tif 000008
【００８３】
となるようにする。
【００８４】
図１１に示すように、光源の数を減らすことにより、コヒーレント光源アレイからの光の角度分布を広げることができる。この現象は、より大きなレンズと比較して、回折抑制がより低下しているより小さなレンズに類似していると理解することができる。従って、比較的狭いスペクトルピークでも、２つのチャネルにわたって分布させることができるので、強度に依存しない波長シフトを検出することができる。
【００８５】
利用可能なＡＷＧのフォトダイオード群／出力チャネル群よりも更に多くのＦＢＧを検出する必要がある場合が多い。従って、幾つかの実施形態では、光時間分割多重化が、光波長分割多重化及び逆多重化と併せて使用される。マルチ入力ＡＷＧの各入力に関して、波長によって異なる公知のマッピングが出力導波路に対して行なわれる。従って、時分割多重化及び波長分割逆多重化を組み合わせて、いずれかの方法を単独で用いて対処することができるよりも遥かに多くの数のセンサを用いて対処することができる。時分割多重化を使用することによりまた、センサの電気信号を、輸送機器の移動と同期する移動窓で記録し易くなる。幾つかの実施形態では、光スイッチ群を、ＡＷＧと同じ基板上に集積させることができるので、同じ構造を有するモジュールの組み立てが可能になる。
【００８６】
図１２は、時分割多重化及び波長分割多重化の両方を使用して、複数のＦＢＧセンサを有する複数のモジュールに対処するシステム１２００の構成を示している。この特定の例では、システム１２００は、輸送システムを、Ｍ個のセンサモジュールを使用して監視し、各モジュールは、単一の光ファイバ上に配置されるＮ個のＦＢＧセンサＳ１、Ｓ２、．．．ＳＮを有する。Ｎ個のＦＢＧは、波長ごとに、波長ドメイン光分波器として使用されるＡＷＧ１２４０の出力チャネルに従って分散配置される。モジュール及び光ファイバ／ＦＢＧは全て、同じように構成することができる。光を光源１２０から透過させてセンサモジュールに、１ｘＭ光パワースプリッタ１２０１及びＭ個のサーキュレータ１２７０を経て到達させる。モジュール１、２、．．．Ｍからのセンサ出力光を、時分割光多重化装置１２５０内を透過させて、Ｍ入力ｘ２Ｎ出力ＡＷＧ１２４０のＭ個の入力に到達させる。時分割多重化装置１２５０は、データ取得コントローラ１２８０により制御されるＭ個の光スイッチからなる光スイッチバンクを備える。モジュール１〜Ｍの出力導波路１２３１、１２３２、．．．１２３３を同時に１回選択し、ＡＷＧ１２４０のそれぞれの入力導波路に光結合させる。ＡＷＧ１２４０は、前に説明したように、センサモジュールからの光を空間的に分散させて、ＡＷＧ出力導波路１２４１に到達させ、次に出力光を検出器ユニット１２６０に経路伝搬させる。
【００８７】
図１２は、各センサの出力光が、モジュールの単一の出力導波路１２３１、１２３２、．．．１２３３により合波されるように配置されるセンサＳ１、Ｓ２、．．．ＳＮを示している。図１３は、異なる波長帯域を有するセンサ出力光をモジュールレベルで合波する別の構成を示している。１つ以上のＦＢＧ１３０２は、センサ光導波路１３０３上に配置される。入力光は、１ｘＮパワースプリッタ１３７１を介してサーキュレータ１３７０に光結合させる。サーキュレータ１３７０は、センサ出力導波路群１３０３を、Ｎｘ１パワースプリッタ１３７２を介してモジュール１３０５の出力導波路１３２０に接続する。出力導波路は、センサモジュール１３０５内の全てのＦＢＧ１３０２からの合成（波長分割多重化）出力光を伝送する。図１３に示すモジュール構造は、例えば図１２に示すモジュール群の各モジュールに代えて使用することができる。
【００８８】
図１４は、幾つかの実施態様による時分割多重化及び波長分割多重化を使用する別の監視システム１４００を示している。図１４の監視システム１４００は、図１２の監視システム１２００と幾つかの点で同様であるので、同様の参照番号を使用して同様の構成要素を指すようにしている。システム１４００は、Ｍ個の光スイッチ１２５０及びＭ個の光サーキュレータ１２７０に代えて、１ｘＭ光スイッチ１４５０及びスイッチ１４５０と光源１２０との間に配置される１個の光サーキュレータ１４７０を用いる。
【００８９】
図１５は、光時間分割多重化を行なう階層スイッチ部を含む監視システム１５００を示している。図示の監視システム１５００のスイッチ部１５５０は、４個の１ｘ２光スイッチ１５５１からなり、かつ８個のセンサモジュールに接続される第１階層の光スイッチ（図１５Ａの最下層の階層スイッチ）と、２個の１ｘ２光スイッチ１５５２からなり、かつ第１階層スイッチ１５５１と１個の１ｘ２第３階層光スイッチ１５５３との間に光結合させた第２階層の光スイッチ（図１５Ａの最下層の階層のスイッチの隣のスイッチ）と、を含む。スイッチ部１５５０は、光源１２０及び波長分波器（ＡＷＧ）１５４０に、光サーキュレータ１５７０を介して接続される。スイッチ１５５１、１５５２、１５５３は、データ取得コントローラ１５８０により制御されて、各センサモジュールからの出力光を時分割多重化してＡＷＧの入力導波路１５４１に入射させる。ＡＷＧ１５４０は、時分割多重化したセンサ出力光を分波して、出力光を波長に応じて空間的に分散させて出力導波路及び検出器ユニット１５６０に到達させる。
【００９０】
様々な種類の光スイッチは、本明細書において説明される時分割多重化装置に使用することができる。適切な光スイッチ技術として、例えばマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）光スイッチ、液晶スイッチ、気泡スイッチ、熱光学スイッチ、フェーズドアレイスイッチ、及び電子ホログラフィックスイッチを挙げることができる。
【００９１】
前に説明したように、上の例で説明した検出器ユニットにより生成される電気信号の記録は、データ取得コントローラにより制御される。データ取得コントローラは、電気信号の取得を輸送機器の移動に同期させるように構成される。
【００９２】
本明細書において提案される監視システムは、同じ基板上に集積される１つ以上の構成素子を含む。例えば、監視システムは、個別素子を使用して、例えばＡＷＧの出力をファイバ結合させ、次にＡＷＧ出力を個々のファイバ結合光検出器に送信することにより実現することができる。
【００９３】
別の構成として、光検出器、例えばフォトダイオードは、ＡＷＧの出力導波路に直接集積させることができる。監視システムの構成要素群のうち１つ以上の構成要素を同じ基板上に集積させることにより、コスト、サイズを大幅に節減して、複雑さを大幅に低減することができる。電子／フォトニック回路ハイブリッド集積法を使用して、光源、サーキュレータ、光スイッチ、ＡＷＧ、フォトダイオード、及びデジタイザを含む全ての構成要素を同じ基板上に集積させることができることに注目されたい。
【００９４】
本明細書において説明される手法により、１個の検出部による高度なセンサ多重化が可能となるだけでなく、高度な集積化が可能となる。監視システムの検出部の幾つかの構成要素又は全ての構成要素−光源、サーキュレータ（群）、時分割多重化装置、波長分波器、及びデジタイザ−は、同じ基板上に集積させることができ、外部接続のみを電源との電気接続とし、監視プロセッサ及び／又は管理プロセッサとの電気通信及び／又は光通信を行ない、センサとの光ファイバ接続を行なう。このような集積素子により、集積素子が大量に製造される場合には、集積手法以外の手法と比較して、大幅なコスト低減／サイズ低減／性能向上を図ることが可能になる。
【実施例】
【００９５】
実験を、１：２２（線路幅４５ｍｍ）のＧ−ｓｃａｌｅ（Ｇゲージ）列車軌道システムを使用して行なった。円形ループ状の鋼鉄製軌道を層状の砂利の上に敷設した。重量物を積み込むことができる運搬貨車を牽引する模型電気機関車を軌道の上を走らせた。
【００９６】
図１６Ａ〜図１６Ｃに示すように、ファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）センサを砂利層に軌道から２インチ（５．０８ｃｍ）の距離の位置に配置した。実験モデルの２インチ（５．０８ｃｍ）の実験的距離は、実際規模の列車軌道システムにおける３．５インチ（８．８９ｃｍ）の距離に相当する。図１６Ａは、砂利層を有する軌道の上を走るＧ−ｓｃａｌｅ（Ｇゲージ）列車の写真を示している。図１６Ｂは、軌道から２インチ（５．０８ｃｍ）のスタンドオフ距離に位置するファイバブラッグ回折格子センサの場所を示す写真である。図１６Ｃは、ヤスリを制御型損傷検出試験に使用して生じさせた下側軌道の摩耗損傷を示す写真である。ＦＢＧは、図１３において既に説明して図示したように、高頻度でデータ取得を行なって監視した。
【００９７】
データをＦＢＧから、様々な負荷状態で異なる時刻に収集して、非損傷状態における代表的な基本データ集合を、１ｋＨｚのサンプリングレートで収集した。図１７Ａ〜図１７Ｆは、振動放射音を表わし、かつ監視システムから取得される電気信号を示しており、図１８Ａ〜図１８Ｆは、列車が軌道の上を通過しているときの振動放射音の対応するスペクトル写真を示している。図１７Ａ及び図１８Ａはそれぞれ、監視システムにより高頻度で取得される振動放射音信号、及び負荷が運搬貨車に掛かっていない健全な状態の場合の振動放射音スペクトル写真を示している。図１７Ｂ及び図１８Ｂはそれぞれ、監視システムにより高頻度で取得される振動放射音信号、及び負荷が運搬貨車に掛かっている健全な状態の場合の振動放射音スペクトル写真を示している。図１７Ｃ及び図１８Ｃはそれぞれ、監視システムにより高頻度で取得される振動放射音信号を拡大したグラフ、及び負荷が運搬貨車に掛かっていない健全な状態の場合の振動放射音スペクトル写真を示している。図１７Ｄ及び図１８Ｄはそれぞれ、監視システムにより高頻度で取得される振動放射音信号、及び軌道区間の間の２〜３ｍｍの隙間で模擬したレールが破損した場合の振動放射音スペクトル写真を示している。図１７Ｅ及び図１８Ｅはそれぞれ、監視システムにより高頻度で取得される振動放射音信号、及び摩耗損傷が、ＦＢＧセンサに隣接する下側の軌条区間の上に生じている状態、及び負荷が運搬貨車に掛かっていない状態の場合の振動放射音スペクトル写真を示している。図１７Ｆ及び図１８Ｆはそれぞれ、監視システムにより高頻度で取得される振動放射音信号、及び摩耗損傷が、ＦＢＧセンサに隣接する下側の軌条区間の上に生じている状態、及び負荷が運搬貨車に掛かっている状態の場合の振動放射音スペクトル写真を示している。
【００９８】
図１７Ａ及び図１８Ａに示すように、振動放射音信号の振動数成分は、この模型列車軌道システムの場合は、５〜５０Ｈｚ及び２００〜５００Ｈｚの範囲に、より多く集まっている。振動数成分の分布は、図１７Ｂ及び図１８Ｂに示すように、負荷が掛かっている状態で大きく変化することがない、又は図１７Ｃ及び図１８Ｃに示すように、負荷が掛かっていない状態で大きく変化することがない。図１７Ｃ及び図１８Ｃでは、信号は、模擬した破損信号を基準として時間領域において拡大している。
【００９９】
健全な状態の場合のデータを取得した後、３種類の損傷を別々に生じさせた：ｉ）レール破損を模擬するために隣接する軌道区間の間の微小な切断部（２〜３ｍｍ）、ｉｉ）切断部を軌道の間に早期に生じることなく、図１６Ｃに示すようなレール波状摩耗を模擬するために金属ヤスリで摩耗させることにより生じる軌道の軽度の研削摩耗、及びｉｉｉ）大きな衝撃を受ける車輪を模擬するためのエンジン駆動車輪のフラットスポット。
【０１００】
図１７Ｃ及び図１８Ｃに示すように、時間領域及び振動数領域における僅かな変化を、レール破損を模擬した場合に観察することができる。時間領域におけるより多くの数のピークが車輪から、車輪がレール破断部の上を通過しているときに観察される。摩耗損傷モードでは、振動放射音信号は、健全な状態の場合（図１７Ｅ及び図１８Ｅ参照）におけるよりも更に強くなっていて、振動数成分が、ずっと広くなっている。同様の結果が、列車に負荷が掛かっている場合（図１７Ｆ及び図１８Ｆ参照）、及び車輪フラット損傷モードの場合に当てはまる。このデータに適用されるパターン照合アルゴリズムは、負荷状態及び／又は欠陥状態を特定する際の精度が約８５％〜約９５％であり、誤アラーム率が約５％以下であることを示している。
【０１０１】
本明細書において開示されるシステム、デバイス、又は方法は、本明細書において説明される特徴、構造、方法、又はこれらの組み合わせのうち１つ以上を含むことができる。例えば、デバイス又は方法は、本明細書において説明される特徴及び／又はプロセスのうち１つ以上を含むように実現することができる。このようなデバイス又は方法は、本明細書において説明される特徴及び／又はプロセスの全てを含む必要はなく、有用な構造及び／又は機能を実現するように選択される特徴及び／又はプロセスを含むように実現することができる。
【図１】
2018177527.tif 000009
【図２Ａ】
2018177527.tif 000010
【図２Ｂ】
2018177527.tif 000011
【図２Ｃ】
2018177527.tif 000012
【図３Ａ】
2018177527.tif 000013
【図３Ｂ】
2018177527.tif 000014
【図３Ｃ】
2018177527.tif 000015
【図４】
2018177527.tif 000016
【図５Ａ】
2018177527.tif 000017
【図５Ｂ】
2018177527.tif 000018
【図５Ｃ】
2018177527.tif 000019
【図６】
2018177527.tif 000020
【図７】
2018177527.tif 000021
【図８】
2018177527.tif 000022
【図９】
2018177527.tif 000023
【図１０Ａ】
2018177527.tif 000024
【図１０Ｂ】
2018177527.tif 000025
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2018177527.tif 000028
【図１４】
2018177527.tif 000029
【図１５】
2018177527.tif 000030
【図１６Ａ】
2018177527.tif 000031
【図１６Ｂ】
2018177527.tif 000032
【図１６Ｃ】
2018177527.tif 000033
【図１７Ａ】
2018177527.tif 000034
【図１７Ｂ】
2018177527.tif 000035
【図１７Ｃ】
2018177527.tif 000036
【図１７Ｄ】
2018177527.tif 000037
【図１７Ｅ】
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【図１７Ｆ】
2018177527.tif 000039
【図１８Ａ】
2018177527.tif 000040
【図１８Ｂ】
2018177527.tif 000041
【図１８Ｃ】
2018177527.tif 000042
【図１８Ｄ】
2018177527.tif 000043
【図１８Ｅ】
2018177527.tif 000044
【図１８Ｆ】
2018177527.tif 000045