NO335932B1 - Fremgangsmåte og apparat for å korrigere systematisk feil i en bølgelengdemåleinnretning - Google Patents

Description

Denne patentsøknaden er relatert til og levert inn sammen med søknadene identifisert som EL 381 225 781 US (WFVA/CiDRA ref. Nr. 712-2.60/CC-0178) og EL 381 225 804 US (WFCA/CiDRA ref. nr. 712-2.76/CC-0218), som begge her er lagt inn i søknaden til de.

Foreliggende oppfinnelse er i området for å måle bølgelengder i et spektrum med lys. Mer spesielt er den foreliggende oppfinnelsen i området for en fremgangsmåte og tilsvarende apparat for å korrigere systematisk feil i en bølgelengdemåleinnretning.

GB 2269230 A beskriver anordning for å produsere et signal som er relatert til bølgelengden i er monokromatisk lys som omfatter en innretning for å rette lyset gjennom et filter til en sensor.

Fra US 5838437 A fremgår det referansesystem for en optisk anordning for måling av bølgelengde.

WO 98/36252 Al omtaler en anordning for måling av optiske bølgelengder.

Referanse blir gjort til US. patent nr. 5,838,437 Miller et al., internasjonale søknaden WO 98/36252 OPTOPLAN AS, og UK patentsøknad GB 2,269,230 Sinar Agritec Ltd. som søkere.

Bruken av fiber Bragg gitter (FBG) innretninger i telekommunikasjonsobservering har skjøvet kravene mot meget nøyaktige målinger av senterbølgelengdene i disse innretningene, ofte ned til IO"12 meter. Forskjellige instrumenter i dag er i stand til å gi høy nøyaktig utløsninger av FBGer, spesielt når FBG funksjonen er en refleksjonsmodus. Imidlertid er det på det nåværende tidspunkt slik at mange av disse instrumentene ikke kan gi nøyaktigheter ned til IO"12 meter som ofte er påkrevet. Det som hindrer er forskjellige feil assosiert med instrumentene, noen fordi instrumentene er påvirket av miljøbetingelser der instrumentet er brukt, som inkluderer omgivende temperatur, eller pga. aldring av instrumentet. Noen av disse feilene er systematiske, slik at instrumentene gjør den samme feilen i lesing av enhver FBG.

For eksempel, så viser figur 1, her en fremgangsmåte som ofte blir brukt for å måle FBG reflekterte bølgelender og utnytte en scanning Michelson interferometer som en komponent i en bølgelengdemåleinnretning. En slik fremgangsmåte måler interferenskanter som varierer i frekvens avhengig av bølgelengden til lyset som kommer inn i interferometeret, som tillater å bestemme bølgelengden til lyset, men som også er avhengig av raten til interferensscanningen; hvor variasjonene forårsaket av forandringer i scanneraten er en kilde for systematisk feil i bestemmelsen av bølgelengden til lyset. En Fourier transform av utgangen fra interferometeret, dvs. kantmønsteret produsert i interferometeret, blir så gjort for å karakterisere (med hensyn til frekvensen eller bølgelengdekomponentene) lyset som kommer inn i interferometeret. Med andre ord, ved å bestemme en Fourier transform til utgangen til interferometeret kan bølgelengden til lyset reflektert fra FBG kunne bli bestemt.

Som vist i figur 1, vil lys reflekteret fra en referanselaser, og som har en topp på en tilnærmet kjent bølgelengde (bølgelengden varierer noe avhengig av de omkringliggende betingelsene slik som temperatur), blir noen ganger brukt for å trekke fra den systematiske feilen forårsaket av forandringene i scanneraten til interferometeret, så vel som systematiske feil forårsaket av andre faktorer, som inkluderer omkringliggende temperatur.

Ved å bruke en referanselaser, kan man gi en nøyaktig måling av bølgelengden av lys reflektert fra observerings FBG med et interferometer, eller mer generelt en bølgelengdemåleinnretning, men bare dersom bølgelengden fra lyset fra referanselaseren er kjent. En forandring med en ukjent størrelse i bølgelengden i lyset fra en referanselaser (fordi det er en forandring i temperatur, for eksempel) vil produsere en feil som ikke vil være systematisk, dvs. den vil opptre i bølgelengdebestemmelsen for hver topp i et spektrum som er tatt opp, men som ikke kan bli korrigert fordi feilen er ukjent. For å korrigere systematiske feil, må størrelsesorden til den systematiske feilen bli bestemt. Selv en meget liten forandring i temperaturen til en referanselaser, så lite som 0,007°C, kan forårsake en uakseptabel stor forandring i bølgelengden til lyset fra referanselaseren.

Det som trengs er en måte å kompensere for sytematiske feil i en bølgelengdemålerinnretning, slik som en innretning som inkluderer et Micahelson interferometer, hvor kompenseringen er basert på å ta hensyn til hva bølgelengdemåleinnretningen måler til å være bølgelengden til lyset gitt av en referanseinnretning, ikke nødvendigvis en laser, og å gjøre dette på en måte hvor bølgelengden til referanselyset faktisk er kjent med stor presisjon, og spesielt er kjent til en presisjon som skiller forandringene i referansebølgelengden forårsaket av forandringer i temperaturen til referanseinnretningen med så lite som 0,007°C.

Følgelig gir den foreliggende oppfinnelsen et apparat for å kompensere for systematiske feil i bølgelengdemålinger gitt med en bølgelengdemåleinnretning brukt for å måle bølgelengde til topper i et spektrum av lys, som inkluderer lys reflektert fra et referansefiber Bragg gitter (FBG), hvor apparatet inkluderer en temperaturføler og målekrets og en dynamisk kompensator. Temperaturføleren og målekretsen er for å måle temperaturen til hvilken referansen FBG er utsatt for. Den er mottakelig for temperaturer, og gir et signal som indikerer temperaturen. Den dynamiske kompensatoren er mottakelig for bølgelgendesignalene fra bølgelengdemåleinnretningen, og mottakelig for signalet som indikerer temperaturen til referansen FBG, og er videre mottakelig til et signal som indikerer en korrelasjon av den samme bølgelengden til lyset reflektert fra referanse FBGen og temperaturen til referanse FBGen. Den gir dynamiske kompensasjonssignaler som indikerer informasjon om kompenserte bølgelengdemålinger.

I et aspekt av oppfinnelsen, er informasjon om de kompenserte bølgelengdemålingene basert på forskjellen mellom sann bølgelengde til lyset reflektert fra referanse FBGen for den målte temperaturen til referanse FBGen, og den målte bølgelengden til lyset reflektert fra referanse FBGen.

I et annet aspekt av oppfinnelsen, er temperaturmålingen og målekretsen inkludert med: en svitjset følekret som har et felles sett av elektriske komponenter og to forskjellige elektriske komponenter, mottakelige for temperaturen til hvilken referansen FBG er utsatt for, og videre mottakelig til et deteksjonskretssvitsjkontrollsignal, som gir svitsjet følekretssignaler som inneholder informasjon om en opererende karakteristikk til den svitsj ete følekretsen som bruker det felles nettet av elektriske komponenter svitsjet respektivt gjennom hver av de to forskjellige elektriske komponentene; og en deteksjonskrets, som gir deteksjonskretssvitsjkontrollsignal, og mottakelig til de svitsj ete følekretsignalene, for å gi et deteksjonskretssignal som inneholder informasjon om temperaturen til hvilken referansen FBG er utsatt for. I noen applikasjoner av disse aspektene av oppfinnelsen, er det felles settet av elektriske komponenter inkluderende en kondensator koblet i serie med en mulitpolsvitsj, og operasjonskarakteristikken er en tid for å lade eller utlade kondensatoren.

Sett fra et annet perspektiv, inkluderer den foreliggende oppfinnelsen: en bølgelengdemåleinnretning, mottakelig for et lyssignal som har et spektrum som inkluderer en topp med en bølgelengde av lyset reflektert fra et referansefiber Bragg gitter (FBG) utsatt for en temperatur, for gi et signal som indikerer en måling av bølgelengden til toppen; og en kompenseringskrets, mottakelig til signalet som indikerer en bølgelengdemåling, og mottakelig for temperaturen til hvilket referansen FBG er utsatt for, for å gi signaler som indikerer verdier for andre bølgelengdemålinger kompensert for systematisk feil gjort av bølgelengdemåleinnretningen.

Fremgangsmåten til oppfinnelsen inkluderer trinnene: å innkapsle referansen FBG for å ha substansielt en uniform temperatur; å måle temperaturen; å bestemme sann bølgelengde til toppen av lyset reflektert fra referanse FBGen basert på den målte temperturen og en forhåndsbestemt korrelasjon mellom temperatur til referanse FBG og bølgelengden til toppen av lys reflektert av referansen FBG; å samle inn den målte bølgelengden til toppen av lyset reflektert i referanse FBGen; og å bestemme en korreksjon som brukes for å kompensere bølgelegndemåleinnretningen for systematiske feil basert på forskjellen mellom den målte bølgelengden til toppen av lyset reflektert fra referanse FBGen og den sammen bølgelegnden til toppen av lyset reflektert fra referanse FBGen.

I et spesielt aspekt av fremgangsmåten til oppfinnelsen, vil temperaturen til referansen FBG bli målt ved å bruke en termistor lagt ut slik at den føler substansielt den samme temperaturen som referanse FBG. I tillegg, vil en fast motstand bli brukt, som substansielt er ufølsom for temperaturen, og temperaturen til referansen FBG blir målt basert på en operasjonskarakteristikk til en krets som inkluderer termistoren og i sin tur referansemotstanden ved å svitsje inn i kretsen termistoren og, i sin tur, referansemotstanden, ved å holde substansielt alle andre komponenter i kretsen på eksakt samme måte.

De ovenfor nevnte andre hensikter, egenskaper og fordeler med denne oppfinnelsen vil bli tydelige fra en betraktning av de følgende detaljerte beskrivelsene presentert sammen med de medfølgende tegningene hvor: Figur 1 er et blokkdiagram/flytdiagram som viser bruken av en referanse FBG for å kompensere en scanning Michelson interferometer, i henhold til den kjente teknikk; Figur 2A er et blokkdiagram/flytdiagram som viser bruken av en referanse FBG for å kompensere en bølgelengdemåleinnretning, i henhold til den foreliggende oppfinnelsen; Figur 2B er et flytdiagram som viser fremgangsmåten til den foreliggende oppfinnelsen; Figur 3 er et blokkdiagram av en krets for å måle temperaturen til et referansefiber Bragg gitter som del av den foreliggende oppfinnelsen; Figur 4 er et flytdiagram som indikerer operasjonen til en annen krets for å måle temperaturen til et referansefiber Bragg gitter som del av den foreliggende oppfinnelsen; Figur 5 er et systemblokkdiagram/skjemategning av et enkeltpunkttrykkmålesystem hvilket den foreliggende oppfinnelsen kan bli implementert som; og

Figur 6 er et blokkdiagram av instrumentboksen og skjermen vist i figur 5.

Med referanse til figur 2A, vil en optisk demodulator 14, som et eksempel på en bølelgengdemåleinnretning, bli vist kompensert for systematisk feil forårsaket av, for eksempel, forandringer i temperaturen eller forandring i operasjonsparameterne (slik som en scannerate), i et apparat 10, i henhold til den foreliggende oppfinnelsen, som inkluderer en temperaturføler og målekrets 11 og en dynamisk kompensator 12. Den optiske demodulatormottakeren, har som innganger, vist både fra et referansefiber Bragg gitter 206B (se figur 6), og lys fra følefiber Bragg gitrene 108, 110, 112 (se figur 6), brukt for eksempel til å føle omkringliggende betingelser slik som temperatur eller trykk, basert på bølgelengden til lyset reflektert fra følefiber Bragg gitrene. Temperaturen og målekretsen 11 er en høypresisjon (høy gjentagbarhet), høy nøyaktighet (å gi en korrekt verdi) innretning, som føler de omkringliggende betingelser til hvilket referansefiber Bragg gitteret (ikke vist) er utsatt ved å bruke en termistor, eller en annen resistansbasert følekomponent, i nærhet til referansen FBG; blir det bestemt temperaturen til referansefiber Bragg gitteret (dvs. temperaturen sett av termistoren) innenfor 0,007°C. Den dyanmiske kompensatoren 12 har som en inngang en forhåndsbestemt korrelasjon med temperaturen til bølgelengden til lyset reflektert fra referansefiber Bragg gitteret. Med andre ord, vil den dynamiske kompensatoren bli gitt data fra hvilket den kan bestemme hvilken bølgelengde som faktisk er reflektert fra referansefiber Bragg gitteret, gitt temperaturen til gitteret; hvor denne bølgelengden heretter vil bli kalt den sanne bølgelegnden.

Den dynamiske kompensatoren 12 bruker så den målte temperaturen til referansefiber Bragg gitteret og den forhåndsbestemte temperaturbølgelengdekorrelasjonen for referansefiber Bragg gitteret, sammen med den ukompenserte bølgelegnden til lyset bestemt av den optiske demodulatoren 14 for å bestemme en korreksjon slik som forskjellen i den ukompenserte referansebølgelengden og den sanne bølgelengden, hvilket er så anvendt for hver av de andre bølgelengdene (dvs. bølgelegnde fra sensorfiber Bragg gitrene), for å gi kompenserte verdier for hver slik annen bølgelengde.

Det bør være klart at den foreliggende oppfinnelsen ikke er begrenset til å ha den dynamiske kompensatoren 12 for å gi faktisk kompenserte bølgelengdemålinger. Den dynamiske kompensatoren 12 kan, likeså fordelaktig, gi størrelsen med hvilket det skal kompenseres i bølgelengdemålingene utført av den optiske demodulatoren 14, og den faktiske kompensasjonen kan så bli utført av noen andre komponenter (ikke vist).

Den dynamiske kompensatoren 12 kan bli implemtert ved å bruke en typisk mikroprosessorbasert arkitektur, som inkluderer en mikroprosessor, en lese/skrivehukommelse (RAM), en ikkeslettbar hukommelse (ROM), inngang/utgangsinnretninger, og en bus for å gi data og kontrollsignaler mellom de. Hensikten med oppfinnelsen er ikke ment å være begrenset til noen bestemt programvareutførelse, eller bare en programvareutførelse, fordi utførelsene er gitt ved å bruke hardware eller en kombinasjon av programvare og hardware. For en fagmann i signalprosessering og pragramvarekonsesjon vil det være forstått at det er mange fordelaktige måter å implementere den dynamiske kompensatoren 12 i henhold til den foreliggende oppfinnelsen for å oppnå funksjonaliteten som er beskrevet heri.

I den foretrukne utførelsen, vil temperaturfølingen og målekretsen 11 måle verdien til motstanden til en termistor i en utladningskrets, dvs. en krets hvor en kondensator blir ladet opp eller utladet gjennom termistoren, hvor den variable raten til oppladningen eller utladningen avhenger av produktet RtCdtil kondensatoren Cd til kondensatoren og motstanden Rj til termistoren, og slik at forandringene av verdien til resistansen Rt til motstanden, som i seg selv forandrer seg med temperaturen på en kjent måte. Men i tillegg, i den foretrukne utførelsen, vil temperaturfølingen og målekretsen være i en såkalt felles komponentkrets ved at de også bruker en referansemotstand, som alternerer i kretsen med termistoren eller referansemotstand som har en kjent motstand og subtansielt er påvirket av temperaturen. I denne alternerende bruken av termistoren og referansemotstanden, vil alle andre komponenter være holdt på nøyaktig samme måte; en slik krets er her kalt en felles komponentkrets. Bruken av en felles komponentkrets for å måle temperaturer ved både presisjon og høy nøyaktighet er kjent og beskrevet i de foran nevnte kryssrefererte patentapplikasjonene og videre beskrevet nedenfor.

Med referanse nå til figur 2B, vil en fremgangsmåte for å kompensere for systematiske feil i en bølgelengdemåleinnretning være vist som inkluderer et første trinn 31 i hvilken temperaturen til en referanse FBG blir målt, presist og nøyaktig, ved å bruke en felles komponent temperaturføling og målekrets som beskrevet nedenfor. Videre, i trinn 32, vil bølgelengden til toppen i et spektrum, som målt av bølgelengdemåleinnretningen som skal kompenseres, bli samlet inn. Spektrumet inkluderer lys reflektert både fra referanse FBGen så vel som fra føle FBGene. Så i trinn 33, vil den samme bølgelengden til lyset som bli reflektret bli bestemt basert på temperaturen til referansen FBG som målt i trinn 31, og basert på en kjent avhengighet av bølgelengden til lyset reflektert fra referanse FBGen og dens temperatur. Så i trinn 34, vil forskjellen bli bestemt mellom hva bølgelengdemåleinnretningen målte som bølgelengde til lyset reflektert fra referanse FBGen og dens sanne verdi. Med denne forskjellen brukt som en korreksjon, vil i neste trinn 35, hver av bølgelengdene til de andre toppene i spekteret bli justert for å eliminere den systematiske feilen i bølgelengdemåleinnretningen, og verdiene til de kompenserte bølgelengdene blir dermed bestemt.

Med referanse nå til figur 3, er et apparat 11 for å utføre en temperaturmåling i henhold til den foreliggende oppfinnelsen blitt vist som inkluderer en utladningskrets 21 og en deteksjonskrets 25. Utladningskretsen 21 inkluderer en kondensator som har en terminal holdt på en spenning Vi, og som har den andre terminalen koblet gjennom en multipolsvitsj 22 til en eller en annen del til jord. Ved å bruke svitsjen 22, kan kondensatoren Cd enten være i stand til å opplades (eller utlades) gjennom enten en termistor Rt eller en referansemotstand Rr, eller utlades (eller lades) eller koble den til en spenningskilde V3. Dermed, for eksempel, når utladningskretsen blir brukt for å måle tiden for utladning av kondensatoren (i motsetning til å måle tiden for oppladning), vil kondensatoren først bli ladet ved å bruke svitjsen 22 for å bringe spenningskilden V3inn i krestsen (og dermed forårsake direkte koblet terminal til kondensatoren Cd som ser spenningen V3), hvor svitsjen så videre blir brukt til koble kondensatoren Cd til referansemotstanden RRgjennom hvilken kondensatoren ser en spenning V2mindre V3, slik som jord, og tiden blir målt for utladning av kondensatoren til et nivå, som beskrevet nedenfor. Utladningen blir så repetert og tiden blir så målt for kondensatoren for utladning med termistoren svitsjet inn i kretsen isteden for referansemotstanden. Svitsjen 22 tillater bruken av den sanne kondensatoren Cd og den sanne deteksjonskretsen 25 for å måle enten motstand Rreller resistansen RT (ved å måle tiden for enten oppladning eller utladning gjennom motstanden). Når tiden trer kjent for utladning under terskelen for termistoren, vil tiden tRfor utladning nedenfor terskelen for referansemotstanden, og ved kunnskap om verdien RRtil referansemotstanden, tillates en evaluering av termistormotstanden RT i henhold til ligningen

Dermed, når utladningskretsen blir brukt basert på å måle tiden for utladning, vil oppladningen av kondensatoren Cd blir bestemt av forskjellen mellom en første satt spenning Vi anvendt på en terminal til kondensatoren, og en andre satt spenning V3anvendt på den andre, hovr den andre terminalen til kondensatoren, hvor den andre spenningen blir anvendt gjennom en kobling gitt av svitjsen 22. Så vil kondensatoren bli utladet gjennom enten termistoren eller referansemotstanden, hvor forbindelsen er enten den ene eller den andre som blir gjort av svitsjen 22, for å ha en tredje satt spenning V2som den endelige spenningen for den andre terminalen, men også for å ha enten spenningen Vr(t) eller spenningen Vt(t) og dens andre terminal mens den blir utladet.

Etter hvert som kondensatoren blir utladet, vil spenningen Vsover svitsj siden til kondensatoren, som er enten spenningen Vr eller Vsavhengig av om termistoren eller den faste motstanden blir svitsjet inn i kretsen, minke over tid (til V2som er enten jordpotensiale eller en annen spenning lavere enn V3), fordi strømmen går gjennom svitjsen 22 til den andre terminalen til kondensatoren, ved å fjerne ladningen til kondensatoren. En kretskontroller 26, delvis vist i deteksjonskretsen 25, bruker svitsjen 22 for å velge eller en andre av de to mostandene Rreller Rt, eller spenningen V3.

Fremdeles med referanse til figur 3, vil en deteksjonsterkselspenning Vdbli anvendt til en inngang av komparatoren 27, og spenningen Vsblir anvendt på den andre inngangen, slik at komparatoren 27 produserer en deteksjonspuls når spenningen Vsfaller under Vd- Deteksjonspulsen blir så brukt til å stoppen en teller 28 (gjennom en kommando sendt av kretskontrolleren 28 som beskrevet nedenfor) etter å ha blitt startet av kretskontrolleren 26 når svitsjen først blir skiftet så at en setter termistoren eller den faste motstanden i en komplett (serie) krets med kondensatoren Cd etter kondenatoren er blitt ladet. Telleren 28 gir et estimat, i klokksykler, av varigheten av deteksjonskretsspenningspulsen 13,14. For å gi estimatet, bruker telleren 28 en klokke 29 som i den foretrukne utførelsen er en høyfrekvent klokke.

Dermed, vil kretskontrollen 26, ved siden å kontrollere svitjsen 22 ved å gi et kontrollsignal som en kontrollutgang, starte og stoppe telleren 28, ved å bruke utgangen av komparatoren 27 som en inngang, basert på inngangen av komparatoren og basert på den endelige tellerverdien for referansemotstanden Rrog termistoren Rt, hvilken er tiden som blir målt, dvs. den venter helt til telleren er ferdig med å telle før den utløser svitsjen. I den foretrukne utførelsen, vil telleren utløse svitsjen på et forhåndsbestemt tidspunkt fra telleren er ferdig med å telle, men telleren kan også bli konfigurert til å utløse svitsjen på forhåndsbestemte konstantlengdeintervaller, av fast lengde slik at telleren alltid vil være ferdig med å telle under et intervall.

Som allerede indikert, vil temperaturmålekretsen på figur 3 også kunne bli brukt for å bestemme temperaturen ikke bare ved utladning av kondensatoren C, men også ved å lade den, siden tidskonstanten for oppladning er den samme som for utladning av den, dvs. tidskonstanten er RC i begge tilfeller, og spenningen over kondensatoren er enten økt eller minket i henhold til en ligning som har en tidsavhengighet e~ t/ RC.

Fremdeles med en referanse til figur 3, vil kretskontrollen 26 også gi, som utgang av dekteksjonskretsen 25, verdiene bestemt av telleren 28, som samsvarer med tidene tjog tRi ligning 1. I den foretrukne utførelsen, vil en separat mikroprosessor (del av datamaskin/skjermen 226 i figur 6) bruke tellerverdiene gitt av kretskontrolleren 26, og den kjente verdien Rrav den faste motstanden, for å gi en verdi Rt til termistoren i henhold til ligning 1, og så bruke en beskrivelse av hvordan Rt varierer med temperaturen for å bestemme temperaturen som blir målt.

Kretskontrolleren 26 kan være en hvilken som helst av et antall forskjellige innretninger, som inkluderer en mikrokontroller, programmerbare portmatriser, eller forskjellige kombinasjoner av forskjellige diskrete komponenter.

Med referanse nå til figur 4, er en annen utførelse av den foreliggende oppfinnelsen vist, med en termistormotstand, og i rekkefølge en fast motstand, som er konvert til et tidsvarierende signal som inkluderer en termistor og i rekkefølge en fast motstand som del av en følekrets som er en motstandsinnstillbar svingekrets 81, slik som en operasjonsforsterkerbasert innstillbar RC svingekrets. I en slik implementasjon vil temperaturen og derfor motstanden til termistoren eller den faste mostanden forårsake at svingefrekvensen blir forandret. En deteksjonskrets 82 for å detektere resonansfrekvensen blir så brukt for å bestemme svingeresonankrekvensen ved enten termistoren eller den faste motstanden, hvor deteksjonen hviler på en parameter som indikerer om svingekretsen svinger eller er nær resonansen, og å bruke kontrollsignaler for å søke etter resonansen (som kan inkludere spenningspulser på en frekvens estimert til å være resonansfrekvensen). Parameteren er ofte amplituden til det tidsvariende spenningssignalet mellom to punkter i følekretsen. Termistormotstanden kan så bli bestemt fra den faste motstanden og forholdene mellom fT/fRtil termistoren og den faste motstandsfrekvensen basert på ligningen tilsvarende ligning 1, nemlig

hvor F er en funksjon som avhenger bare av forholdet mellom de målte frekvensene, som kan være det inverse forholdet eller andre ikkelineære forhold. Med en gang Rt dermed er bestemt, vil temperaturen bli målt og kan bli tolket fra den kjente måten hvor termistormotstanden varierer med temperaturen (på samme måte som i den foretrukne utførelsen).

Med referanse nå til figur 5, har et enkelt punkt trykkfølersystem 100, hvor den foreliggende oppfinnelsen kan bli implementert, vist anordnet i relasjon til et borehull 102 som har en innfatning 103 og en produksjonstube 105, og inkluderer en instrumentboks 101, en skjerm 104, en transmisjonskabel 106 og trykk og temperatursensorer 108,110, 112 anordnet i borehullet 102 for å gi sensorsignaler, via transmisjonskabelen 106, som viderefører informasjon om trykk og temperatur i borehullet 102. Instrumentboksen 101 og skjermen 104 er typisk plassert på flaten til borehullet 102 og kommuniserer med trykk og temperatursensorene 108, 110, 112 i borehullet 102 ved å bruke bølgelengdedel multipleksing (WDM) og/eller tidsdelt multipleksing (TDM). Instrumentboksen 101 er beskrevet i større detalj e ved henvisning til figur 5.

Med referanse nå til figur 6, er instrumentboksen 101 vist å inkludere et optisk subsystem 200, for å samle sensordata og for å interpretere de innsamlete data, og et elektrisk subsystem 202, for å prosessere de interpreterte data og for å gi en brukermellomkobling til det optiske subsystemet 200. Den foreliggende oppfinnelsen er implementert i det optiske subsystemet som en temperatuariålekrets 206c.

Det optiske subsystemet 200 inkluderer kildemodulen 204, en optisk subsystem referansemodul 206 som inkluderer temperaturmålekretsen 206, en optisk subsystem svitsjmodul 208, en optisk demodulator 210 og en kontrollmodul 212. Trykket og temperatursensorene 108, 110, 112 (figur 5) er vist som fiber Bragg gittertrykk og temperatursensorer. Den optiske demodulatoren 210 tolker signalene fra trykk og temperatursensorene 108,110,112 for å gi data som kan bli korrelert (av det elektriske subsystemet) med faktiske trykk og temperaturer i borehullet 102. Den optiske demodulatoren 202 lager systematiske feil i tolkningen av sensordata, hvor noen av feilene er basert på temperaturer hvor den optiske demodulatoren er posisjonert, noen er basert på selvoppvarming av de optiske demodulatorkomponentene, noen basert på miljøfaktorer og aldring. Den foreliggende oppfinnelsen blir brukt, i en applikasjon, for å fjerne systematiske feil laget av den optiske demodulatoren 210, ved å gi en temperaturkompensert sensorinngang fra en referansefiber Bragg gitter 206b, som beskrevet nedenfor.

Det elektriske subsystemet 220 inkluderer et generelt grensesnitt bus kort (GPIB) 222, et digitalt inngangs/utgangskort 224 og en datamaskin/skjerm 226 som inkluderer skjermen 104 (figur 4).

Kildemodulen 204 i det optiske subsystemet 200 har en kommersielt tilgjengelig bredbånd optisk kilde 204a for å gi et superfluoresent optisk kildesignal for å eliminere fiber Bragg gittertrykk og temperatursensorene 108,110, 112 og også et referansefiber Bragg gitter 206b, som er en del av det optiske subsystem referansemodulen 206.

Ved siden av referansefiber Bragg gitteret 206b, har den optiske subsystem referansemodulen 206, kommersielt tilgjengelig sirkulator 206a, og en temperaturfølerkretskort 206c i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Sirkulatoren 206a retter det superfluoreserende optiske kildesignalet fra den bredbånd optiske kilden 204a via den optiske svitsjen 208 til referansefiber Bragg gitteret 206b fra hvilket signalet fortsetter til fiber Bragg gitter trykk og temperatursensorene 108, 110, 112. Sirkulatoren 206a retter også fiber Bragg gitter trykk og temperatursensorsignalene fra fiber Bragg gitter trykk og temperatursensorene 108, 110, 112 via den optiske svitsjen 208 til den optiske demodulatoren 210.

Den opitiske subsystemet svitsjmodulen 208 har en optisk svitsj 208a som har en sensorport 208b for mottak av signaler fra fiber Bragg gitter trykk og temperatursensorene 108, 110,112, og for å tillate utspørring av fiber Bragg gitter trykk og temperatursensorene 108, 110, 112. Den optiske svitsjen 208a er et kommersielt tilgjengelig produkt som gir optiske signaler til/fra den optiske subsystem referansemodulen 206 og fiber Bragg gitter trykk og temperatursensorene 108, 110, 112, som beskrevet ovenfor.

Den optiske demodulatoren 210 er et kommersielt tilgjengelig produkt som demodulerer fiber Bragg gitter trykk og temperatursensorsignalene fra fiber Bragg gitter trykk og temperatursensorene 108, 110, 112, og demodulerer signal mottatt fra referanse fiber Bragg gitteret, og gir demodulerte digitale signaler som er elektriske og digitale analogier til fiber Bragg gitter signalene, for å være i en form som er passende for inngang til den generelle grensesnitt bus kortet (GPIB) 222 i det elektriske subsystemet 102.

Temperaturmålekretsen 206c er en krets i henhold til den foreliggende oppfinnelsen, og blir brukt for å måle temperaturen til referanse fiber Bragg gitteret 206b, ved å bruke en termistor Rt plassert for å føle den samme temperaturen som referanse fiber Bragg gitteret (termistoren Rt i figur 5 er den samme som termistoren Rt i utladningskretsen 21 i figur 2A, men er vist eksplisitt, tatt ut av temperaturmålekretsen 206, for å indikere at den er posisjonert nær til referanse fiber Bragg 206b.) Temepraturmålekretsen 206c gir til kontrollmodulen 212 en verdi som representerer en første lengde av tiden og som tilsvarer temperaturen i referanse fiber Bragg gitteret og, på sin sin side, en verdi som representerer en andre lengde av tiden og som samsvarer til den substansielt faste referansemotstanden Rrinkludert som del av temperaturmålekretsen 206c.

Referanse fiber Bragg gitteret 206b er fabrikkert for å gi et signal til demodulatoren 210, som, når kompensert for temperaturen bestemt av temperaturmålekretsen 206b, skal alltid være tolket av en ideell demodulator (dvs. en som har ingen systematisk feil) som de samme interpreterte data (dvs. en eller flere kjente bølgelengder).

Kontrollmodulen 212 bestemmer temperaturkompenserte referansebølgelengde som den optiske demodulatoren 210 bør rapportere i demodulering av det optiske signalet som samsvarer med lyset reflektert fra referanse fiber Bragg gitteret, og å gi temperaturkompenserte bølgelengder til det digitale inngangs/utgangskortet 224 i det elektriske subsystemet 202. Den gir også et kanalvalgsignal til den optiske svitsjen 208a i den optiske subsystem svitsjmodulen 208 for selektivt å ta imot referanse fiber Bragg gitter trykk og temperatursensorsignalet gitt fra referanse fiber Bragg gitter trykk og temperatursensorene 108, 110, 112.

Å gi temperaturkompenserte bølgelengde til den optiske demodulatoren 210 bør bli rapportert basert på lys reflektert fra referanse fiber Bragg gitteret, kontrollmodulen 212 som bruker signalene fra temperaturmålekortet 206c signaler som indikerer tiden for utladning med termistoren Rj og så emd den faste motstanden Rri utlandingskretsen 21 (figur 2A), og den kjente verdien til den faste motstanden, for å regne ut en verdi for termistormotstanden RT, i henhold til ligning 1. En bruker så en beskrivelse på hvordan termistormotstanden varierer med temperaturen for å tolke temperaturen sett av termistoren, som også er temperaturen sett av referanse fiber Bragg gitteret 206b. Deretter bestemmer den hvilken bølgelengde lyset bør bli reflektert fra referanse fiber Bragg gitteret, en temperaturkorrigert referansebølgelengde, basert på temperaturene bestemt fra temperaturmålekretskortet 206c. Det er den temperaturkorrigerte referansebølgelengden som den optiske demodulatoren 210 bør gi til det elektriske subsystemet 202, når det optiske signalet blir demodulert som samsvarer med lyset reflektert fra referanse fiber Bragg gitteret, men vil ikke gi dette pga. dens systematiske feil.

I det elektriske subsystemet 220, vil den generelle grenssnitt bus kortet (GPIB) 222 som er et kommersielt tilgjengelig bus kort som mellomkobler den optiske demodulatoren 220 til datamaskin/skjermen 226 og gir demodulatoren digitale signaler til datamaskin/skjermen 226.

Det digitale inngangs/utgangs (DIO) kortet 224 er et kommersielt tilgjengelig produkt som er en mellomkobling mellom kontrollmodulen 212 og datamaskin/skjermen 226, og gir kontrollsignalet fra datamaskin/skjermen 226 til kontrollmodulen 212 og vise versa, som inkluderer å gi signaler til datamaskin/skjermen 226 fra kontrollmodulen 212 som indikerer temperaturkokompenserte referansebølgelengder. (Datamaskin/skjermen 226 gir også, via DIO kortet 224, et valgkontrollsignal til kontrollmodulen 212, som brukes til å kontrollere den optiske svitsjen 208, som forårsaker svitsjen og selektivt å ta imot referanse fiber Bragg gitt trykk og temperatursensorsignaler fra referanse fiber Bragg gitter trykk og temperatursensorene 108, 110, 112.)

Funksjonen til den dynamiske kompensatoren 12 i figur 2 er, i denne spesielle anvendelsen, utført med en eller flere av de følgende elementene: kontrollmodulen 212, GPIB kortet 222, DIO kortet 224, og datamaskin/skjermen 226. Datamaskin/skjermen 226 er en pentiumbasert datamaskin som prosesserer de råe demodulerte digitale signalene fra den optiske demodulatoren 210 for å gi prosesserte trykk og temperatursignaler, som inneholder informasjon om trykk og temperatur i borehullet 202 følt av fiber Bragg gitt trykk og temperatursensorene 108, 110, 112. Datamaskin/skjermen 226 bruker signalene mottatt fra kontrollmodulen 212 som indikerer temperatur-kompenserte referansebølgelengder til å korrigere alle råe demodulerte digitale signaler mottatt fra den optiske demodulatoren 210.

Det bør være forstått at forskjellige trinn i korreksjonen like fordelaktig kan bli tildel til forskjellige komponenter enn de som er vist i den ovenfor beskrevne foretrukne utførelsen. For eksempel, kan datamaskin/skjermen 226 beregne temperaturen sett av termistoren (ved å bruke ligning 1), isteden for kontrollmodulen 212 som utfører denne beregningen. I noen applikasjoner vil både datamaskin/skjermen 226 og kontrollmodulen 212 utføre samarbeidende bestemmelser i henhold til prosedyrene som er noe forskjellige, i hvordan de når frem til korreksjonen på den optiske demodulatoren 210.

Michaelson interferometerbaserte optiske demodulator er vanligvis i stand til å bli korrigert for systematiske feil ved å bestemme hvordan man skal korrigere feilen med en enkel bølgelengde. Imidlertid, vil andre typer av optiske demodulatorer, slik som en scannende filteroptiske demodulator, vanligvis kreve en korreksjon som varierer med bølgelengde. For slike optiske demodulatorer, er det nødvendig å bruke som en referanse en kilde med mer enn en (kjent) bølgelengde til lys. Et enkelt fiber Bragg gitter reflekterer bare (substansielt) lys på en enkelt bølgelengde. For å gi lys med forskjellige bølgelengder passende for korreksjon i en optisk demodulator med systematiske feil som avhenger av bølgelengden, er flere opsjoner tilgjengelige.

Som en opsjon, kan flere referanse fiber Bragg gittere bli brukt, hvor hver reflekterer lyset på en forskjellig (kjent) bølgelengde, og så å gi en basis for korreksjoner av den optiske demodulatoren over et område av spektrumet omfattet av de forskjellige bølgelengdene. En implementasjon av multiple referanse fiber Bragg gittere vil være å prege alle referanse fiber Bragg gitterene på det samme stedet på den optiske fiberen hvor følefiber Bragg gitterene også er preget. I en slik implementasjon vil den totale lengden av den optiske fiberen som bærer de multiple referanse fiber Bragg gitterene være den samme, og mulitple referansepunkter (bølgelengder) kan bli oppnådd.

Som en annen opsjon, kan et Fabry-Perot etalon eller en fiber Bragg gitter basert resonans hulrom bli brukt i stedet for enkelt referanse fiber Bragg gitterene. Ulik den enklere referanse fiber Bragg gitteret, imidlerid, blir lyset brukt fra disse innretningene som en referanse for å korrigere den optiske demodulatoren være utsendt lys, og ikke reflektert lys. Men ved å bruke optiske koblere for eksempel, kan en konfigurasjon bli angitt hvor lyset fra disse kildene blir gitt til den optiske demodulatoren sammen med lyset reflektert fra følefiber Bragg gitterene.

Den foreliggende oppfinnelsen innbefatter ikke bare bruken av et enkelt referanse fiber Bragg gitter som en bølgelengdevelger (for å gi et enklere referanse bølgelengde), men også bruken av multiple fiber Bragg gittere, et Fabry-Perot etalon, eller en fiber Bragg gitterbasert resonanshulrom som en bølgelengdevelger (for å gi multiple referansebølgelengder), eller å bruke som en bølelengdevelger enhver innretning som trekker ut lys med en kjent bølgelengde fra en bredbåndskilde ved enten å selektivt reflektere eller ved selektiv transmisjon.

Det er å forstå at den ovenfor beskrevne anordningen bare er for å illustrere anvendelsen av prinsippene i den foreliggende oppfinnelsen. For eksempel kan karakteristikken til en kretskomponent bli brukt som basis for en måling i henhold til den foreliggende oppfinnelsen, ikke bare motstand, gitt at relasjonen mellom karakteristikken og temperaturen er kjent, og gitt at det er en annen komponent som har en karakteristikk som er analog, men uavhengig av temperaturen. Et stort antall andre modifikasjoner og alternative anordninger kan bli utledet av en fagmann uten å avvike fra hensikten og innholdet av den foreliggende oppfinnelsen, og de vedlagte krav er ment å dekke slike modifikasjoner og anordninger.

Claims (15)

1. Apparat for å kompensere for systematisk feil i bølgelengdemålinger frembragt av en bølgelengdemåleinnretning (14; 210) anvendt for å måle bølgelengden til topper i et spektrum av lys inkludert lysrefeleksjon fra en referanse bølgelengde sektor (206b), hvor apparatet omfatter: i) en temperaturføle- og målekrets (11; 206c), som reagerer på en temperatur til hvilken referansebølgelengdevelgeren er utsatt for, for å måle temperaturen, for å fremrbinge et signal indikativ av temperaturen, og ii) en dynamisk kompensator (12; 212, 222, 224, 226), som reagerer på bølgelengdemålingssignalene fra bølgelengdemåleinnretningen, som reagere på signalet indikativ av temperaturen til hvilken referansebølgelengdevelgeren, og videre reagere på et signal som indikerer korrelasjon av den sanne bølgelengden av lyset reflektert fra referansebølgelengdevelgeren og temperaturen til referansebølgelengdevelgeren, for å frembringe dynamisk kompensasjonssignaler som indikerer informasjon om kompensert bølgelengdemålinger,karakterisert vedat den dynamisk kompensatoren er annordnet slik at informasjonen om kompensert bølgelengdemålinger er basert på differansen mellom den sanne bølgelengden til lys reflektert fra referansebølgelengdevelgeren for den målte temperaturen av referansebølgelengdevelgeren og den målte bølgelengden til lys reflektert fra referansebølgelengdevelgeren.

2. Apparat i henhold til krav 1, der apparatet videre omfatter bølgelengdemåleinnretningen (14; 210).

3. Apparat i henhold til krav 1 eller 2, hvori temperaturføle- og målekreten (11; 206c) omfatter: a) en svitsjet følekrets (21), som har et felles sett av elektriske komponenter og to forskjellige elektriske komponenter, som reagere på temperaturen til hvilken referansebølgelengdevelgeren er utsatt for, og videre reagere på et deteksjonskretssvitsjkontrollsignal, for å frembringe svitsjet følekretssignaler som inneholder informasjon om en operasjonskarakteristikk av den svitsjede følekretsen som bruker det felles settet av elektriske komponenter svitjset respektivt gjennom hver av de to forskjellige elektriske komponentene, og b) en deteksjonskrets (25), for å frembringe deteksjonskretssvitsjkontrollsignalet, og som reagere på de svitsjede følekretssignalene, for å frembringe et deteksjonskretssignal som inneholder informasjonen om temperaturen til hvilken referansebølgelengdevelgeren er utsatt for.

4. Apparat i henhold til krav 3, der apparatet videre omfatter referanse bølgelengde sektoren (206b), konstruert til å reflektere lys på en forhåndsbestemt bølgelengde når illuminert ved en forhåndsbestemt temperatur, som regarer på illuminering fra en illumineringskilde (204a), for å detektere lys på en bølgelengde avhengig av temperaturen til hvilken referansebølgelengdevelgeren er utsatt for.

5. Apparat i henhold til krav 3 eller 4, hvori den dynamisk kompensatoren (12; 212, 222, 224, 226) omfatter en prosessor, som reagerer på deteksjonskretssignal som inneholder informasjon om temperaturen til hvilken referansebølgelengdevelgeren er utsatt for, og videre reagere på et datasignal som detekterer en beskrivelse av hvordan bølgelengden til lyset reflektert fra referansebølgelengdevelgeren varierer med temperaturen, for å frembringe et signal som indikerer en beregnet verdi samsvarende med bølgelengden til lyset reflektert av referansebølgelengdevelgeren ved temperaturen indikert av følekretsen.

6. Apparat i henhold til krav 3, 4 eller 5, hvori det felles settet av elektriske komponenter inkluderer en kondesator koblet i serie med et multipolsvitsj, og hvor operasjonskarakteristikken er en tid for å lade eller utlade kondensatoren.

7. Apparat i henhold til hvilke som helst av krav 3 til 6, hvori de to forskjellige elektriske komponentene er en termittor og en referansemotstand, hvori motstanden til termittoren varierer med temperaturen over et kjent temperaturområde, og hvor motstanden til referansemotsatnden ikke varierer substansielt med temperaturen over et temperaturområde som inkluderer temperaturen til referansebølgelengdevelgeren er utsatt for.

8. Apparat i henhold til hvilke som helst av krav 3 til 7, hvori det felles settet av elektriske komponenter inkluderer en kondensator koblet i serie med en multipolsvitsj, og hvor de to forskjellige elektriske komponentene er en termistor og en referansemotstand, hver koblet parallelt til multipolsvitsj en.

9. Apparat i henhold til krav 8, hvori deteksjonskretsen inkluderer en spenningskilde for å frembringe et spenningskildesignal, og hvori deteksjonskretsen inkluderer en komparator som reagere på de svisjede følekretssignalene, og videre reagere på spenningskildesignalet, for å frembringe et høyt eller lavt komparatorsignal avhengig av om spenningen til de svitsjede følekretssignalene er høyere eller lavere enn spenningen til spenningskildesignalet.

10. Apparat i henhold til krav 9, hvori deteksjonskretsen videre omfatter en klokke for å frembringe et klokkesignal, og hvor deteksjonskretsen videre omfatter en teller som reagere på klokkesignalet, og videre reagere på et start/stoppsignal, for å frembringe et tellesignal som inneholder informasjon om antallet av pulser av klokkesignalet.

11. Apparat i henhold til krav 10, hvori deteksjonskretsen inkluderer en kretskontroller som reagere på tellesignalet, for å frembringe start/stoppsignalet til telleren, for å frembringe deteksjonskretskontrollsignal til den svitsjede følekretsen for å svitsje multipolsvitsj en, og for å gi deteksjonskretssignal et som inneholder informasjon om temperatur til hvilken referansebølgelengdevelgeren er utsatt for.

12. Apparat i henhold til hvilke som helst av krav 3 til 11, hvori den svitsjede følekretsen inkluderer en motstandsinnstillbar-oscillerendekrets som har en termistor og en referansemotstand og en svitsj for å svitsje enten termistoren og referansemotstanden inn i den motstandsinnstillbar-oscillerendekretsen, og hvor operasjonskarakteristikken er frekvensen til den oscillerendekretsen, og hvor deteksjonskretsen detekterer resonansfrekvensen til den svitsjede ladnings- eller utladningskretsen, for å frembringe deteksjonskretssignal som en mål av frekvensen på veklsende oscillering i den motstandsinnstillbare-oscillerendekretsen når transistoren er i den motstandsinnstillbare-oscillerendekretsen og når referansemotstanden er i den motstands innstillbare-oscillerendekretsen.

13. Apparat i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, hvori referansebølgelengdevelgeren er valgt fra gruppen som består av et fiber Bragg gitter, multiple samlokaliserte fiber Bragg gittere, et Fabry-Perot etalon, og et fiber Bragg gitterbasert resonanshulrom.

14. Fremgangsmåte for å kompensere for systematisk feil i bølgelengdemålinger frembragt av en bølgelengdemåleinnretning, hvor bølgelengdemåleinnretningen anvendt for å måle bølgelengdene til toppen i et spektrum av lys inkluderer topper av lys reflektert fra en referansebølgelengdevelger, og hvor fremgangsmåten omfatter trinnene: a) omslutte referansebølgelengdevelgeren for å se en hvoedsakelig en uniform temperatur, b) å måle temperaturen, c) å bestemme den sanne bølgelengden til en topp av lys reflektert fra referansebølgelengevelgeren basert på den målte temperaturen og en forhåndsbestemt korrelasjon mellom temperatur til referansebølgelengdevelgeren og en bølgelengde til en topp av lys reflektert fra referansebølgelengdevelgeren, d) å anskaffe den målte bølgelengden til toppen av lys reflektert fra referansebølgelengdevelgeren, ogkarakterisert vede) å bestemme en korreksjon som skal bli brukt for å kompensere bølgelengdemåleinnretning for systematiske feil basert på forskjellen mellom den målte bølgelengden til toppen av lyset reflektert fra referansebølgelengdevelgeren og den sanne bølgelengden til toppen av lys reflektert fra referansebølgelengdevelgeren.

15. Fremgangsmåte i henhold til krav 14, hvori temperaturen til referansebølgelengdevelgeren er målt ved å anvende en termistor anordnet slik at den føler den samme temperaturen som referansebølgelengdevelgeren, hvori en fast motstand blir anvendt, en som er substansielt ufølsom for temperatur, og hvor temperaturen til referansebølgelengdevelgeren blir målt basert på operasjonskarakteristikk til en krets som involverer termistoren og, på sin side, referansemotstanden, ved å svitsje inn i kretsen termistoren og, på sin side, referansemotstanden, men beholder substansielt alle andre komponenter i kretsen på nøyaktig samme måte.