在幹涉型傳感系統中運動補償的方法及裝置製造方法

2023-04-27 03:43:16

在幹涉型傳感系統中運動補償的方法及裝置製造方法
【專利摘要】光學解調系統例如基於OFDR的系統測量經受時變幹擾的傳感光波導的折射率的局部變化。為一定長度的傳感光波導檢測的幹涉測量信號被變換到譜域。從變換的幹涉測量數據集確定時變信號。從時變信號確定補償信號，該補償信號用於為幹涉測量數據集補償時變幹擾。通過使用求平均和應變補償實現進一步的魯棒性。該補償技術可以沿光波導的長度被應用。
【專利說明】在幹涉型傳感系統中運動補償的方法及裝置
[0001] 本申請要求2011年12月5日提交的美國臨時專利申請序列號61/566, 860和2012 年3月23日提交的美國臨時專利申請序列號61/614, 662的優先權，這些申請的內容通過 引用併入本文。

【技術領域】
[0002] 本發明涉及幹涉型傳感應用。一種示例應用為光頻域反射計（0FDR)傳感應用。

【背景技術】
[0003] 光頻域反射計（0FDR)已經證明是在光纖中以高空間解析度來測量應變的有效系 統。例如，參見美國專利6545760、6566648、5798521和7538883。該高解析度性能已經被 證明在形狀傳感應用中非常有用。例如，參見美國專利777254U7781724和美國專利申請 20110109898。在美國專利申請20110247427中描述了在單芯光纖中的簡單的應變傳感應 用。
[0004] 0FDR通過在雷射調諧的寬頻率範圍內獲取數據來實現高空間解析度。在大多數應 用中，該調諧隨著雷射在一定頻率範圍內進行掃頻而發生。在使用該技術時，假設在掃頻的 時間期間測試光纖是靜態的或者無變化的。然而，如果在雷射掃頻的時間期間正在被測量 的系統發生變化，那麼所得到的測量結果可能質量降低。此類改變可以歸因於測試光纖的 移動或者連接測試光纖與儀器的光纖引線的移動。在存在時變變化裡實現更高質量的測量 將是可取的。


【發明內容】

[0005] 示例的實施例包括用於測量經受時變幹擾的傳感光波導的參數的方法及光學解 調/詢問（interrogation)系統。示例的時變幹擾是傳感光波導的運動。光學解調系統包 括光學幹涉解調器和光學檢測電路，該光學檢測電路耦合到光學幹涉解調器，用於為一定 長度的傳感光波導檢測光學幹涉測量信號。數據處理電路接收來自光學檢測電路的幹涉測 量信號，並且產生該一定長度的傳感光波導的幹涉測量數據集。該幹涉測量數據集被變換 到譜域，並且從變換的幹涉測量數據集確定時變信號。補償信號從時變信號確定，並且該補 償信號被用於為幹涉測量數據集補償時域幹擾，以提高參數的測量。
[0006] 在一個示例實施方式中，光學解調系統是基於光頻域反射的系統，該系統包括解 調光源，並且其中光學幹涉測量信號表示沿傳感光波導作為時間的函數的背散射幅度。
[0007] 在非限制實施例中，處理電路通過將幹涉測量數據集與幹涉參考數據集進行比較 來確定時變信號。為幹涉測量數據集中的反射事件確定幹涉測量數據集，並且接收到的幹 涉數據在反射事件周圍被加窗。時變信號可以是相位信號，在此情況下，數據處理電路被配 置成通過展開（unwrap)相位信號而從變換的幹涉測量數據集中提取相位信號，並且通過 從展開的相位信號去除線性擬合確定描述對傳感器的幹擾的非線性信號。在該示例中，非 線性信號是補償信號。然後，數據處理電路可以從幹涉測量數據集減去非線性信號，以便為 幹涉測量數據集補償時變幹擾。
[0008] 在另外的示例的實施例中，時變信號是相位信號，數據處理電路被配置成通過與 譜域中的基線數據比較而從譜域中的變換的幹涉測量數據中提取相位信號。
[0009] 在其他的示例實施例中，數據處理電路被配置成：將幹涉測量數據集分為多個測 量數據段；變換每個段；將變換的測量段的多個與對應的參考譜數據段結合；對結合的段 求平均；從平均的段中確定相位響應；以及基於相位響應確定時變信號。此外，數據處理電 路可以被配置成確定施加於測量數據段的應變，其中該應變表明在相鄰的測量數據段的響 應之間的未對準的量，並且使用測量的應變來對準譜域中的測量數據段的響應。
[0010] 在另外的示例實施例中，數據處理電路被配置成比較譜域中的每個數據段與對應 的參考數據段；確定時間延遲，該時間延遲表明在時域中的參考數據段與數據段之間的未 對準的量；以及使用測量的時間延遲對準時域中的參考數據段和數據段。
[0011] 在傳感光波導為光纖的示例中，其中數據處理電路可以被配置成為幹涉測量數據 集補償在光纖上的應變。
[0012] 在優選的但仍然為示例性的實施例中，數據處理電路被配置成確定沿著傳感光波 導的運動、時間延遲以及應變，並且補償沿著傳感光波導的累積運動、時間不對準以及應 變。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是基於光頻域反射計（0FDR)的傳感系統的非限制示例，其中傳感器經歷時變 幹擾。
[0014] 圖2使用0FDR系統的非限制的、示例的分布式測量過程的流程圖。
[0015] 圖3是使用0FDR測量的理想的單反射峰的理論幅度與光學延遲的圖。
[0016] 圖4是被展開（unwrapped)後的顯示線性相位響應的圖3所示的相位的圖。
[0017] 圖5是來自單個反射器的幅度與延遲的圖，在單個反射器中在獲取掃頻期間相位 已因一些時變變化而產生失真。
[0018] 圖6是圖5所示的失真峰的相位與光頻的圖。
[0019] 圖7是示出在點A處測量的校正能夠為所有後續點校正在測量點A和儀器之間的 受幹擾的非限制性示例圖。
[0020] 圖8是來自兩個反射事件的幅度與延遲的圖，在兩個反射事件中兩個峰在光頻域 中都因一些時變相位而發生失真。
[0021] 圖9是在圖8中索引50處反射峰的周圍加窗的圖。
[0022] 圖10示出在圖9中僅描述第一反射峰的信息的窗口。
[0023] 圖11描繪了從圖10中的加窗數據的傅立葉變換計算的相位失真。
[0024] 圖12是以灰色描繪在延遲域中的原始的失真的反射峰以及以黑色描繪數據已通 過使用相位校正而被校正的峰的圖表。
[0025] 圖13是在0FDR測量中用於提取和隨後校正時變信號的非限制性示例過程的流程 圖。
[0026] 圖14是用於在參考0FDR數據集和測量0FDR數據集之間的譜域中提取時變相位 響應和對其求平均的非限制的示例過程的流程圖。
[0027] 圖15圖示模擬散射幅度與延遲的示例的圖。
[0028] 圖16圖示被施加到散射數據的示例的相位失真的圖。
[0029] 圖17是以黑色跡線示出原始的散射幅度與散射模式的延遲以及以灰色跡線示出 在頻率域中已因圖16的相位失真而產生失真之後的散射幅度的圖。
[0030] 圖18是從散射模式的單個延遲域段計算的譜相位失真的圖。
[0031] 圖19是與施加的相位失真（灰色）相比較通過對譜域中每個段的複數數據求平 均而計算出的相位失真與頻率的圖。
[0032] 圖20將插值計算的相位失真與原始的施加的相位失真進行對比。
[0033] 圖21示出了原始的散射模式和校正的散射模式的幅度。
[0034] 圖22描繪了施加於光纖引線的4種不同振動的相位失真與光頻。
[0035] 圖23描繪了在具有和不具有振動校正的情況下以300HZ振動光纖之後沿傳感光 纖所計算的應變。
[0036] 圖24描繪了將光纖覆蓋在電風扇上的情況下沿傳感光纖所計算的應變。
[0037] 圖25描繪了作為一定長度的無應變的光纖的波長的函數為多個部分所計算的失 真。
[0038] 圖26示出與原始施加的相位失真相比較通過對圖30中所示的數據求平均而計算 的相位失真。
[0039] 圖27示出作為一定長度的應變的光纖的波長的函數為多個部分所計算的相位失 真。
[0040] 圖28示出作為一定長度的應變的光纖的波長的函數為多個部分所計算的相位失 真，其中已為每段校正施加的應變。
[0041] 圖29是示出去除在用於提取運動校正信號的段上的均勻軸向應變的作用的示例 步驟的流程圖。
[0042] 圖30是相位與延遲的圖，其示出在延遲域中的參考與測量結果之間的複數相乘 的提取幅角（argument)如何提供由於施加到測量的應變而產生的光延遲變化的測量。
[0043] 圖31是相位與延遲的圖，其示出從參考和校正的測量結果之間的複數相乘的幅 角所提取的光學延遲響應。
[0044] 圖32圖示了示例性反饋過程，其可以沿著一定長度的光纖執行，其中為該一定長 度的光纖校正在參考和測量段之間的累積的振動、累積的應變以及延遲失配。

【具體實施方式】
[0045] 下列描述出於解釋而非限制性目的提出具體細節，諸如特定的實施例。但是本領 域技術人員將理解的是，偏離這些具體細節的其他的實施例可以被使用。在一些實例中， 眾所周知的方法、接口、電路和設備的詳細描述被省略，以便不會因不必要的細節而模糊本 說明書。在一些附圖中，示出了獨立的塊。本領域的技術人員將理解這些塊的功能可以通 過使用獨立的硬體電路、使用連同適合的可編程的數字微處理器或者通用計算機的軟體程 序和數據、和/或使用專用集成電路（ASIC)和/或使用一個或者更多個的數位訊號處理器 (DSP)而實現。軟體程序指令和數據可以被存儲在非暫時性的計算機可讀存儲介質上，並且 當指令被計算機或者其他的適合的處理器控制執行時，計算機或者處理器執行與這些指令 有關的功能。
[0046] 因此，例如，本領域技術人員將理解本文中的附圖能夠表現說明性的電路或者其 他功能單元的概念上的視圖。同樣地，將被理解的是，任何流程圖、狀態轉換圖、偽代碼等表 現了各種過程，這些過程可以大致被體現在計算機可讀介質並且由此被計算機或者處理器 執行，不管這些計算機或者處理器是否被明確的示出。
[0047] 各種說明的塊可以通過使用硬體諸如電路硬體和/或能夠執行以存儲在計算機 可讀介質中的編碼指令的方式的軟體的硬體而被提供。因此，這些功能和說明的功能塊將 被理解為硬體實現的和/或計算機實現的，以及機器實現的。
[0048] 關於硬體實現，功能塊可以包括或者包含但不限於數位訊號處理器（DSP)硬體、 精簡指令集處理器、包括但不限於（多個）專用集成電路（ASIC)和/或（多個）現場可編 程門陣列（FPGA)的硬體（例如，數字或者模擬）電路以及（在適合的地方）能構執行這些 功能的狀態機。
[0049] 關於計算機實現，計算機一般被理解為包括一個或更多個的處理器或者一個或更 多個的控制器，並且術語計算機、處理器和控制器可以交換使用。當由計算機、處理器或者 控制器提供功能時，功能可以通過單個的專用計算機或者處理器或者控制器、通過單個的 共享的計算機或者處理器或者控制器，或者通過多個獨立的計算機或者處理器或者控制器 (它們中一些可以是共享的或者分布式的）來提供。此外，術語"處理器"或者"控制器"也 指其他能夠執行這些功能和/或執行軟體的硬體，諸如上面列舉的示例的硬體。
[0050] 在本應用中的技術提供了用於補償傳感器運動的基於0FDR的方法和裝置。術語 傳感器包括基於0FDR的測量技術可以被應用到其中的任何波導。使得0FDR測量發生失真 的時變信號包括傳感器的任何形式的運動，其發生在時間量程上，可與0FDR測量相當。振 動是一種非限制的示例，而突然的移動是另一個非限制性示例。在0FDR測量中，恆定的頻 率和幅度的振動具有明顯的輪廓，而在0FDR測量期間試驗臺的震動具有不明確的輪廓。在 這兩種情況下，運動可能對於預期的測量的準確度是不利的。因此，發明人意識到必須開發 一種方法來處理廣範範圍的運動，在配置的傳感環境中其能夠被給定的傳感器感受到。術 語"運動"被用於包含0FDR測量期間改變傳感光纖的位置的任何類型的誤差源。
[0051] 0FDR在執行沿波導長度的散射分布的高解析度分布式測量時是高效的。在給定位 置處，沿波導的光的散射與局部的折射率有關。可以比較兩種連續的測量以通過檢測散射 分布的變化來檢測沿波導長度的折射率的局部變化。
[0052] 圖1是0FDR系統20的非限制的示例的設置，該0FDR系統20被用於監測沿光纖 傳感器10的長度的折射率的局部變化，該光纖傳感器10在一個或更多個測量和/或傳感 應用中是有用的。在一些應用中，光纖傳感器起傳感器的作用，並且在其他的應用中它可以 是待測設備（DUT)或者其他實體。所示的時變幹擾或者運動12影響光纖10 (術語光纖出 於方便的目的被使用，但該技術適用於任何適合的波導）的特定的位置。可諧調光源30在 光譜的範圍內掃頻。該光通過光耦合器的使用被分開，並且發送到兩個單獨的幹涉儀。第 一幹涉儀用作幹涉解調器（interferometric interrogator) 34,其被連接到傳感光纖10。 光通過幹涉解調器34的測量臂進入傳感光纖10。然後，沿光纖10長度的散射光被沿幹涉 解調器34的參考臂傳播的光幹涉。雷射監測網絡32內的第二幹涉儀在光源30掃描整個 頻率範圍時測量調諧率的波動。該雷射監測網絡32也包括氰化氫（HCN)氣體單元，其在整 個測量掃描中被用於提供絕對波長參考。一系列的光學檢測器40將來自雷射監測網絡32、 氣體單元HCN的檢測的光信號，以及來自傳感光纖35的幹涉模式轉換成用於數據獲取單元 36的電信號。數據處理器28使用來自數據獲取單元36的獲取的電信號以提取沿傳感器 10長度的散射分布，如結合圖2更詳細解釋的。
[0053] 圖2是使用0FDR系統的非限制性的示例分布式測量過程的流程圖。在步驟S1中， 可諧調的光源在光頻的範圍內掃頻，並且經由幹涉解調器的測量臂導向到傳感器10中（步 驟S2)。沿傳感器10長度的散射光與通過幹涉解調器的參考路徑傳播的光幹涉。為測量掃 頻提供絕對波長參考（步驟S3)，並且測量調諧率變化（步驟S4)。光學檢測器將檢測的光 信號轉換成電信號（步驟S5)以便由數據處理器28處理。傳感光纖的幹涉模式通過使用 雷射監控信號被優選地重新採樣，以保證檢測的信號以光頻的恆定增量被採樣（步驟S6)。 一旦被重新採樣，就執行傅立葉變換以產生時域上的傳感器10散射信號。在時域中，散射 信號將散射事件的幅度描述成沿傳感器10長度的延遲的函數（步驟S8)。使用光以給定的 時間增量傳播的距離，該延遲被轉換成沿傳感器10長度的信號測量。也就是說，該信號將 每個散射事件描述成沿傳感器10的距離的函數。採樣周期被稱作空間解析度，並且採樣周 期與測量期間可諧調的光源掃過的頻率範圍成反比。
[0054] 由於傳感光纖10應變，局部的散射隨著光纖在物理長度上的變化而移位。可以證 明的是這些失真是高度地可重複的。因此，0FDR測量結果可以被保留在內存中，用作在無 應變狀態下的光纖的參考模式。隨後的測量結果可以與該參考模式進行比較，以獲得沿傳 感光纖長度的局部散射的延遲移位的測量。當與參考散射模式比較時，這種延遲的移位表 示為連續的、緩慢變化的光學相位信號。該光學相位信號的導數與傳感芯的物理長度的變 化成正比。物理長度的變化可以與應變成比例，產生沿傳感光纖10的應變的連續測量。
[0055] 如上詳述的，在0FDR測量期間，隨著雷射掃過光頻範圍，在參考路徑和測量路徑 之間的光學幹涉被記錄。在系統的光學檢測器處所得的幹涉模式包含關於從傳感光纖反射 的光的幅度和相位的信息。光的相位和幅度在雷射掃頻期間作為時間的函數被記錄。系統 的基本假設是在解調/詢問（interrogation)下的幹涉系統（包括傳感光纖10)在掃頻期 間不變，以及當雷射掃頻時作為光頻的函數的系統的相位和幅度響應在時間上被編碼。因 此，如果雷射頻率已知是時間的函數，那麼系統的相位和幅度響應已知為雷射波長的函數。
[0056] 但是如果系統在測量期間不是靜態的，那麼測量會失真。例如，考慮當雷射隨時間 線性地掃頻時單個反射的響應。單個反射事件導致檢測電子器件處的正弦幹涉條紋。來自 單個反射器的幹涉信號的傅立葉變換提供作為光延遲的函數的單個乾淨峰。圖3描繪了使 用0FDR測量的理想的單個反射峰的理論上的幅度與光學延遲。
[0057] 延遲中的反射的位置與譜域中相位斜率的大小成正比。進一步，按照定義，在時 域中來自單個事件的理想反射在譜域中具有線性相位斜率。例如，圖4描繪了"展開的 (unwrapped)"譜域相位。展開（unwrapping)可以被認為是隨著光沿著光纖移動，光學相位 增加。在複平面上，由於相位圍繞單位圓增加和移動，相位旋轉一周並且接下來繼續。展開 相位通過跟蹤完整旋轉的總數而有效地使旋轉的相位信號線性化，以獲得總的光學相位變 化的測量。
[0058] 現考慮這種情況，其中在幹涉儀中在事件的反射和光束重組之間的光學延遲改 變，即在雷射掃頻時相位已被一些時變變化扭曲。如圖5所示，這導致在測量的幹涉信號上 的額外的相位調製。在存在這種隨時間變化的相位調製的情況下，如圖5描述的，所得的幹 涉信號的傅立葉變換失真。峰不再是"乾淨"的，在峰的底部周圍有噪聲出現。
[0059] 圖6描繪了圖5所示的失真的峰的相位與光頻。該失真的峰的譜域相位表現出從 線性相位的小偏離。從線性的這些偏差表明在0FDR系統執行測量時傳感光纖的位置不是 恆定的。從線性相位的這些偏差在譜域中響應，並且所得的理想的峰的失真對分布式的應 變測量來說是有問題的。如上所述，將分布式的0FDR應變測量與傳感光纖的基線參考掃描 進行比較，例如，通過執行互相關。由於傳感器的運動，測量的失真大大降低這種比較的準 確度。發明人認識到這個問題並且開發了用於補償測量時的運動的影響的技術，以便提高 0FDR測量的準確度。
[0060] 作為解決方案的開始，發明人認識到0FDR測量的基本特性允許從0FDR測量高效 地並且有效地去除運動的影響。在0FDR獲取期間，來自延遲域中的理想單個反射事件的在 譜域中的相位響應的大小與事件的延遲成比例。因此，相位調製必須是沿傳感器的長度添 加的。也就是說，在光纖中任何點能看到的相位調製是在感興趣的點之前光纖中的所有相 位調製的和。這意味著在光纖中的任一點處測量相位調製提供了校正沿光纖的剩餘部分的 這些調製的能力。
[0061] 圖7示出在點A處測量的校正能夠為所有後續點校正測量點A處與0FDR儀器之 間的幹擾的圖。也就是說，通過測量傳感光纖10中的點A處的運動，可以為光纖10的剩餘 長度校正在點A和儀器之間的所有的運動影響。因此，點B處的測量將不再受點A之前的 運動失真的影響。這個概念在圖8中進一步被說明，即通過觀察由於在點A之前的時變失 真而引起的在延遲域中的點A和點B二者之間的反射失真。在光學頻域中峰已被一些時變 相位扭曲。
[0062] 如果已知在索引50處或其周圍僅有單個反射，那麼與該反射有關的複數數據集， 即從0到100之間的點可以被用於表徵引起該反射所發生的振動（相位調製）。從數據集 中去除這些振動影響去除了沿光纖10的點A處與點B處的兩個反射事件中觀察到的失真。
[0063] 在這種情況下，第一峰的振動信息可以通過在該峰的周圍加窗獲得，如圖9中的 以索引50處的反射峰為中心的矩形窗口所示。相乘之後，沒有其他峰的信息存留。回想在 這些前100個點中所包含的信息是包含了相位和幅度兩種信息的複數值。在加窗操作之後 對應的幅度數據在圖10中描繪，其中該窗與從兩種反射所獲取的數據相乘，產生僅來自第 一反射峰的複數數據集。對於加窗後的複數數據集進行傅立葉變換，以便提取在譜域中的 相位失真。該相位失真描述了與來自點A處的原始的理想的單個反射的相位響應相關的非 線性，並且在圖11中進行描繪。
[0064] 然後，該相位失真被用作相位失真的校正，其可以通過從全部獲得的數據集的測 量的相位中減去該相位失真而被應用到全部獲得的數據集，從而在延遲域中恢復兩個位置 處的乾淨的峰。這在圖12中被示出，其中灰色線示出在延遲域中的原始的失真的反射峰， 黑色線示出通過使用相位校正對數據進行校正後的峰，該相位校正從在索引50處的峰計 算而來。現在兩個峰值都是銳利的。
[0065] 在圖13中示出了略述非限制性示例步驟以提取由於運動帶來的時變信號和隨後 的數據的校正的流程圖。以步驟S10開始，對與反射事件有關的時間延遲域中的複數值 0FDR數據集例如在數據集的開始處執行加窗操作。應用傅立葉逆變換將數據集變換到頻 域（步驟S12)。譜域中的相位響應通過展開相位信號而被提取（步驟S14)。全部的累積 相位與延遲域中的反射事件的位置成比例。在延遲域中的每個延遲索引累積譜域中的兩個 Pi ( π )相位變化，例如在索引500處的反射事件將具有在展開後譜域中1000 Pi ( π )的全 部的累積的相位響應。從該累積的相位響應中減去線性擬合去除了與在延遲域中的反射事 件的位置有關的相位，提供了描述傳感器運動的非線性時變信號的測量（步驟S16)。非線 性的時變信號是補償信號，例如，將其從譜域中的原始測量OFDR數據集的相位中減掉（步 驟S18)。然後，運動補償的譜響應通過使用傅立葉變換操作被變換到時間延遲域（步驟 S20)，這可以被用於識別和/或展現反射的乾淨的譜峰。
[0066] 該示例過程通過提取時變信號直至傳感器光纖10中的一點並且隨後使用該信號 以補償沿著傳感器10的長度所產生的數據，以此來去除或者至少大致減小對0FDR測量的 運動的影響。該技術補償沿傳感器光纖10長度的一個或者多個運動，並且保證在不同的 0FDR應用中配置傳感器的廣泛的環境範圍中的魯棒性。
[0067] 在0FDR傳感應用中的常見類型的光纖是具有瑞利散射分布的工業標準、低彎曲 損耗的光纖。給定長度的傳感器光纖的瑞利散射分布表現為隨機的寬帶信號，並且由從光 纖自身的玻璃分子散射的光造成。該散射模式是高度地可重複的，並且可以被認為是給定 傳感器的物理特性。因此，這種反射"指紋"被用於獲得光纖的基線或者參考測量。
[0068] 在單個反射事件的示例的情況下，從譜域中的相位響應中去除線性擬合，以隔離 非線性分量，該非線性分量捕獲測量中的運動的影響。在實際的系統中，理想的單個反射事 件一般不發生，並且相鄰的反射事件的譜響應將掩飾期望的非線性分量。這能夠通過比較 光纖的測量和相同光纖的基線測量來克服。光纖的散射分布是高度地可重複的，並且譜域 中的測量段與譜域中的對應段的基線掃描的比較將允許隔離測量期間的運動影響。也就是 說，如果在測量期間沒有運動存在，則譜域中的測量與基線之間的比較將產生零值相位差。 如果存在運動，將看到非線性的響應。
[0069] 三個問題必須被克服。第一，瑞利散射是微弱信號，並且因此，對運動的補償易受 到噪聲的影響。發明人開發了一種平均方法以增加運動補償的魯棒性。第二，配置的傳感 器易受到許多不同的環境因素的影響。魯棒的運動補償應該保證環境的變化（諸如溫度變 化）不降低補償的效率。發明人開發了一種從運動提取區域去除軸向應變的影響的方法。 第三，不能保證配置的傳感器僅在傳感光纖中感興趣區域之前經受時變幹擾。因此，補償技 術應該沿傳感器的長度操作，以便系統地去除沿傳感器長度的各種運動影響。
[0070] 瑞利散射的低信號水平問題通過對光纖中的多個鄰近段的散射使用平均操作來 解決。在一般的應用中，可以假設對於短長度的傳感光纖來說，運動的影響是相似的。在延 遲域中選擇小段的傳感光纖允許這種假設，即相鄰的段將觀察到相似的時變失真。首先，時 變的譜失真從每個段中提取。將一段的測量0FDR數據和相同段的參考/基線0FDR數據兩 者傅立葉變換至譜域，可以比較複數值譜數據以提取由於在測量段中的運動引起的相位失 真的測量。可以為每個相鄰的段重複該過程，並且譜失真的平均值被計算。這種過程的示 例步驟被描述在圖14中的流程圖中。
[0071] 對基線環境中（例如，沒有影響光纖的運動、控制溫度等）的傳感光纖10執行傳 感光纖的0FDR掃描（步驟S33)，從而為光纖的多個段的每段產生0FDR參考數據（步驟 S34)，並且對應用環境中（例如，可能存在影響光纖的運動、溫度變化等）的傳感光纖10執 行傳感光纖的OFDR掃描（步驟S30)，從而為光纖的多個段的每段產生OFDR測量數據（步 驟S31)。段可以通過使用例如上述的加窗技術來被分區。對每個測量段（步驟S32)和每 個參考段（步驟S35)執行傅立葉變換操作，以將段數據變換至譜域。執行傅立葉變換的一 種示例方法是使用快速傅立葉變換（FFT)。然後，每個段的測量譜數據與每個相應段的參考 譜數據的複數共軛進行複數相乘（數據是複數）（步驟S36)。在數學上，複數值信號與第二 信號的共軛相乘等同於計算複數信號的相位值的差。由於存在使該相位測量失真的噪聲， 所以期望對相鄰段求平均。為計算相鄰段的平均值，來自相鄰段的複數乘積的實部和虛部 分別被求平均（S37)。通過計算平均的複數乘積的實部和虛部的反正切來提取平均的相位 響應。該相位差如上述被隨後展開。然後，該相位響應能夠被用於補償由於運動引起的失 真。例如，相位響應能夠被線性插值以匹配測量結果的大小，並且從原始的測量數據的譜域 被減掉以去除運動的影響。
[0072] 雖然在步驟S30-S32和S33-S35中示出了兩個平行的軌跡，但是這些步驟不需要 在同一時間並行執行或者即使一對一地執行。例如，參考掃描步驟S33-S35可以被提前執 行，並且參考段數據被存儲在內存以隨後用於測量的段數據。一種測量掃描被示出，但應當 理解的是步驟S30-S32和S36-S39可以對一個或更多個其他測量掃描重複進行。
[0073] 現從數學角度描述圖14中所示的運動補償的計算的處理程流。κ p為在一定長度 的均勻應變的光纖中的複數散射測量的數組，其中p表示在延遲中沿數組的位置。通過將 κ ρ的連續的段變換回到譜域來產生子數組集。Κκη代表測量段的譜，η和κ是譜索引：
[0074] KKn = FFT{KnS··· κ (n+1)s}，其中S是段的點數的長度。使用參考測量％重複該過 程，
[0075] N^FFTU，. n(n+1)s}
[0076] 然後，捕獲運動影響的信號由下式給出
[0077]

【權利要求】
1. 一種用於測量經受時變幹擾的傳感光波導的參數的光學解調系統，包括 光學幹涉解調器； 光學檢測電路，其被耦合到所述光學幹涉解調器，用於檢測一定長度的所述傳感光波 導的光學幹涉測量信號；和 數據處理電路，其被配置成： 從所述光學檢測電路接收幹涉測量信號， 產生所述一定長度的傳感光波導的幹涉測量數據集； 將所述幹涉測量數據集變換到譜域； 根據變換的幹涉測量數據集確定時變信號；以及 根據所述時變信號確定補償信號； 使用所述補償信號為所述幹涉測量數據集補償所述時變幹擾，以增強所述參數的測 量。
2. 根據權利要求1所述的光學解調系統，其中所述光學解調系統是包括解調光源的基 於光頻域反射即OFDR的系統，並且其中所述光學幹涉測量信號指示沿所述傳感光波導的 作為時間的函數的背散射幅度。
3. 根據權利要求1所述的光學解調系統，其中所述處理電路被配置成通過比較所述幹 涉測量數據集和幹涉參考數據集來確定時變信號。
4. 根據權利要求1所述的光學解調系統，其中所述時變幹擾包括所述傳感光波導的運 動。
5. 根據權利要求1所述的光學解調系統，其中為所述幹涉測量數據集中的反射事件確 定所述幹涉測量數據集，以及 其中所述數據處理電路被配置成在所述反射事件的周圍為接收的幹涉數據加窗。
6. 根據權利要求1所述的光學解調系統，其中所述時變信號是相位信號，並且其中所 述數據處理電路被配置成： 通過展開所述相位信號從所述變換的幹涉測量數據集提取所述相位信號；以及 通過從展開的相位信號去除線性擬合來確定描述對所述傳感器的所述時變幹擾的非 線性信號， 其中所述非線性信號是所述補償信號。
7. 根據權利要求6所述的光學解調系統，其中所述數據處理電路被配置成從所述幹涉 測量數據集減去所述非線性信號，以便為所述幹涉測量數據集補償所述時變幹擾。
8. 根據權利要求1所述的光學解調系統，其中所述時變信號是相位信號，並且其中所 述數據處理電路被配置成： 通過比較在所述譜域中的基線數據集，從所述譜域中的變換的幹涉測量數據中提取所 述相位信號。
9. 根據權利要求1所述的光學解調系統，其中所述數據處理電路被配置成： 將所述幹涉測量數據集分成多個測量數據段； 變換每個所述段； 將變換的測量段中的多個與對應的參考譜數據段結合； 對結合的段求平均； 根據平均的段確定相位響應；以及 基於所述相位響應確定所述時變信號。
10. 根據權利要求1所述的光學解調系統，其中所述數據處理電路被配置成： 將所述幹涉測量數據集分成多個測量數據段，以及 確定應用於測量數據段的應變，其中所述應變指示相鄰的測量數據段的響應之間的未 對準的量，以及 使用測量的應變以對準所述譜域中的測量數據段的響應。
11. 根據權利要求1所述的光學解調系統，其中所述數據處理電路被配置成： 將所述幹涉測量數據集分成多個測量數據段； 將每個數據段與對應的參考數據段比較； 確定時間延遲，所述時間延遲指示時域中的參考數據段與數據段之間的未對準的量； 以及 使用測量的時間延遲以對準所述時域中的參考數據段與數據段。
12. 根據權利要求1所述的光學解調系統，其中所述傳感光波導是光纖，並且其中所述 數據處理電路被配置成： 為所述幹涉測量數據集補償光纖上的應變。
13. 根據權利要求1所述的光學解調系統，其中所述數據處理電路被配置成確定沿所 述傳感光波導的運動、時間延遲和應變，並且補償沿所述傳感光波導的累積的運動、時間未 對準和應變。
14. 一種用於測量經受時變幹擾的傳感光波導的參數的方法，其包括： 檢測一定長度的所述傳感光波導的光學幹涉測量信號； 根據檢測的光學幹涉測量信號產生所述一定長度的所述傳感光波導的幹涉測量數據 集； 將所述幹涉測量數據集變換至所述譜域； 根據所述變換的幹涉測量數據集確定時變信號； 根據所述時變信號確定補償信號；以及 使用所述補償信號為所述幹涉測量數據集補償所述時變幹擾，以增強所述參數的測 量。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中所述方法使用包括解調光源的基於光頻域反射 即OFDR的系統，並且其中所述光學幹涉測量信號指示沿所述傳感光波導的作為時間的函 數的背散射幅度。
16. 根據權利要求14所述的方法，進一步包括通過比較所述幹涉測量數據集與幹涉參 考數據集來確定所述時變信號。
17. 根據權利要求14所述的方法，其中所述時變幹擾包括所述傳感光波導的運動。
18. 根據權利要求14所述的方法，其中為所述幹涉測量數據集中的反射事件確定所述 幹涉測量數據集，所述方法進一步包括在所述反射事件的周圍為接收的幹涉數據加窗。
19. 根據權利要求14所述的方法，其中所述時變信號是相位信號，並且所述方法進一 步包括： 通過展開所述相位信號從所述變換的幹涉測量數據集提取所述相位信號；以及 通過從展開的相位信號去除線性擬合來確定描述對所述傳感器的所述時變幹擾的非 線性信號， 其中所述非線性信號是所述補償信號。
20. 根據權利要求19所述的方法，進一步包括從所述幹涉測量數據集中減去所述非線 性信號，以便為所述幹涉測量數據集補償所述時變幹擾。
21. 根據權利要求14所述的方法，其中所述時變信號是相位信號，並且所述方法進一 步包括： 通過比較所述譜域中的基線數據集，從所述譜域中的所述變換的幹涉測量數據中提取 所述相位信號。
22. 根據權利要求14所述的方法，進一步包括： 將所述幹涉測量數據集分成多個測量數據段； 變換每個所述段； 將變換的測量段中的多個與對應的參考譜數據段結合； 對結合的段求平均； 從平均的段確定相位響應；以及 基於所述相位響應確定所述時變信號。
23. 根據權利要求14所述的方法，進一步包括： 將所述幹涉測量數據集分成多個測量數據段，以及 確定應用於測量數據段的應變，其中所述應變指示相鄰的測量數據段的響應之間的未 對準的量，以及 使用測量的應變對準所述譜域中的測量數據段的響應。
24. 根據權利要求14所述的方法，進一步包括： 將所述幹涉測量數據集分成多個測量數據段； 將每個數據段與對應的參考數據段比較； 確定時間延遲，所述時間延遲指示時域中的參考數據段與數據段之間的未對準的量； 以及 使用測量的時間延遲對準所述時域中的參考數據段與數據段。
25. 根據權利要求14所述的方法，其中所述傳感光波導是光纖，並且所述方法進一步 包括為所述幹涉測量數據集補償在所述光纖上的應變。
26. 根據權利要求14所述的方法，進一步包括： 確定沿所述傳感光波導的運動、時間延遲和應變，並且 補償沿所述傳感光波導的累積的運動、時間未對準以及應變。
【文檔編號】G01N21/45GK104126103SQ201280068990
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2012年12月3日 優先權日:2011年12月5日
【發明者】M·E·佛羅凱特, A·K·桑, D·K·吉福德, J·W·克萊因 申請人:直觀外科手術操作公司