CN102331313A - 用于物理量的空间分辨的测量的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

用于物理量的空间分辨的测量的设备，包括用于产生具有第一频率的第一电信号(6)和具有第二频率的第二电信号(7)的装置，第二频率与第一频率的区别在于差频，用于产生利用第一频率调制的光信号的光发射源，该光信号可以与测量对象交互作用并在此被修改，可以混合来自光信号的电信号(10)和第二信号(7)的混合器(11)，用于数字化至少一个混合信号(12)的数模转换器(13)，以及此外特别构成为DDS系统(3)的用于产生具有第三频率的第三电信号(8)的装置，其中该第三频率对应于差频或差频的倍数，并且其中数模转换器(13)可以扫描具有第三频率的混合信号(12)，以将其数字化。

Description

用于物理量的空间分辨的测量的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的用于物理量的空间分辨的测量的方法以及一种根据权利要求8前序部分的用于物理量的空间分辨的测量的设备。
背景技术
定义：光频域反射计，英语中也被称为Optical Frequency DomainReflectometry (OFDR)，在下文中称为OFDR方法。适于实施直接数字合成(DDS)的设备或集成电路或系统在下文中被称为DDS系统。当下文中使用概念光，光发射或光信号时，其意味着光频谱范围，特别是从XUV到FIR的光频谱范围内的电磁辐射。
在玻璃纤维中分布式温度测量(分布式温度传感-DTS)时，借助OFDR方法并在大量其它应用中存在快速低噪音地测量光信号或电信号的振幅或相位的任务。这对分布式温度测量的时间和温度分解非常重要。
1999年1月的西门子赛普洛斯部门W458e版本1.2e的“系统说明书纤维激光器II”中公开了本申请开始部分所述方式的方法和设备。其中描述的设备包括用于产生信号频率和振荡器频率的频率发生器，所述振荡器频率与所述信号频率的区别在于固定的差频。激光器的光发射利用信号频率被频率调制并联接到光导纤维中。基于拉曼效应反向散射的光发射部分从纤维断开联接并由光电倍增器转换为电信号。所述部分与局部振荡器频率混合并模拟滤波。随后所述部分被数字化并在局部范围内进行傅里叶变换。如此获得的基于拉曼效应产生的信号的反向散射剖面构成温度计算的基础。
这种测量系统表示所谓的外差接收器，其中信号频率与局部振荡器频率混合，以获得固定的差频。它可以以窄带的形式放大并滤波。但是在模拟系统中通过部件公差和部件漂移为该滤波设置边界。此外窄带滤波器需要更长的冲击时间，其中振幅和相位被滤波器影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种本申请开始部分所述方式的方法和设备，该方法和设备使得能够实现快速和/或更低噪音的物理量测量。
根据本发明，该技术问题在方法方面通过本申请开始部分所述的具有权利要求1的特征的方法解决以及在设备方面通过本申请开始部分所述的具有权利要求8的特征的设备解决。从属权利要求涉及本发明的优选设计方案。
权利要求1规定，产生具有第三频率的第三电信号，其中第三频率对应于差频或差频的倍数，并且为数字化，以第三频率扫描混合信号。相应地，权利要求8规定，所述设备还包括产生具有第三频率的第三电信号的装置，其中第三频率对应于差频或差频的倍数，并且其中数模转换器可以第三频率扫描至少一个混合信号，以将其数字化。通过这种方式可以使用数字而非模拟滤波器，从而可以更好地降低噪音和/或更快地测量光信号的振幅和相位。
可以规定，第一和/或第二和/或第三电信号借助直接数字合成产生。相应地，还可以规定，用于产生第一电信号的装置是第一DDS系统和/或用于产生第二电信号的装置是第二DDS系统和/或所述用于产生第三电信号的装置是第三DDS系统。通过使用用于产生所述三个电信号的DDS系统可以完成向数字技术的转变。
在此优选的是为直接数字化合成第一和/或第二和/或第三电信号可以使用时钟信号，其中特别为直接数字化合成第一和/或第二和/或第三电信号使用相同的时钟信号。相应地，可以规定所述设备此外还包括时钟发生器，该时钟发生器可以为第一DDS系统和/或第二DDS系统和/或第三DDS系统加载时钟信号。将所述三个DDS系统联接到时钟信号导致，例如在0.12Hz的DDS分解范围内，待数字化信号的精确数字扫描。在此具有优点的是，频率计算可以借助数字语言，从而不会由于换算到实有数字而出现圆整误差。时钟信号的漂移对全部三个DDS系统产生相同的影响，从而可以达到确切的扫描频率。
通过频率产生和频率扫描这个概念，使用新的数字滤波器技术成为可能。
数字滤波器不需要冲击时间。在构造中放弃窄带模拟滤波器。通过精确的扫描，可以利用更窄带的探测实现比利用模拟技术更高的差频。
附图说明
本发明的其它特点和优点借助下面优选实施例的描述参考附图示出。其中：
图1示出了根据本发明的设备的第一实施方式的示意图；
图2示出了根据本发明的设备的第二实施方式的示意图；
图3示出了根据本发明的设备的第三实施方式的示意图；
图4示出了根据本发明的设备的第四实施方式的示意图。
具体实施方式
附图中相同或功能相同的信号，元件或单元具有相同的附图标记。
图1中示出的第一实施方式包括第一DDS系统1，第二DDS系统2和第三DDS系统3作为用于产生电信号的装置。该设备还包括给出时钟信号(CLK)5的时钟发生器4。三个DDS系统1，2，3各自使用相同的时钟信号5。
第一DDS系统1产生具有随时间变化的第一频率fRF(t)的随时间变化的第一电信号6。第二DDS系统2产生具有随时间变化的第二频率fLD(t)的随着时间变化的第二电信号7。第二频率fLO(t)与第一频率fRF(t)相差固定的不随时间变化的差频fZF。
第三DDS系统3产生具有随时间变化的第三频率的随时间变化的第三电信号8，该频率对应于差频fZF和系数2N的积。在此N＝0，1，2......。N的优选值例如是2，3，4或5，从而第三频率等于四倍，八倍，十六倍或三十二倍的差频fZF。
在此具有优点的是，三个频率fRF(t)，fLO(t)和fZF的计算借助于数字语言进行，从而不会由于换算到实有数字而出现圆整误差。时钟信号5的漂移对所有三个DDS系统1，2，3具有相同的影响，也就是说，相关的频率变化是相等的。
附图标记9表示仅示意示出的测量设备部分，该测量设备除用于产生光信号的光发射源以外还包括测量对象例如光导纤维和光电探测器。利用第一信号6振幅调制或频率调制光信号。在此该调制例如可以通过相应触发例如构成为激光器的光发射源得以实现。可选的是，由光发射源形成的光信号也可以由光调制器进行调制。
调制的光信号可以联接到测量对象中并在与该测量对象的交互作用之后与该测量对象断开联接。用于使得能够实现交互作用的相应装置例如可以包括耦合器，去耦器，光束分离器和滤波器。随后在光电探测器中基于交互作用修改的光信号被转换为至少一个电信号10。在此，为此使用的转换器装置例如可以构成为光电倍增器，光电二极管或其它传感器装置。
由测量设备9形成的电信号10在混合器11中与第二信号7混合。在此，混合信号12精确具有差频fZF，其中通过与测量对象的交互作用产生的测量信息包括在混合信号12的振幅和相位中。
混合信号12在模数转换器13中被数字化。在此，混合信号12利用第三电信号8的第三频率扫描。基于三个DDS系统1，2，3中的每个处的相同时钟信号5总是精确达到期望的扫描频率。
数字化信号可以利用数字滤波器14滤波。在随后设置的分析装置15中可以分析滤波数据，从而可以确定待获取的物理量的空间分辨的测量数据。
在根据图2的本发明设备的第二实施方式中，借助OFDR方法精确实施光导纤维中的分布式温度测量(DTS)。
图2中特别具体示出了测量设备。这个测量设备包括激光器16，该激光器16利用第一电信号6的第一频率fRF(t)进行频率调制或振幅调制。在此，该调制例如可以通过激光器16的相应触发得以实现。可选的是，由激光器16形成的光信号17也可以由光调制器进行调制。
肯定存在这种可能性，即取代激光器16而使用另一光发射源例如放大自发辐射二极管。
光纤维18用作测量对象，其中特别应该空间分辨地获取温度。附图标记19表示的是用于使得能够实现与光纤维18的交互作用的装置。这个装置19例如可以包括耦合器，去耦器，光束分离器和滤波器。
装置19包括用于光信号20a，20b，20c的三个输出。肯定存在多于三个输出的可能性，其中第四输出例如可以用于反向散射的瑞利部分。第一光信号20a对应于由激光器16形成的首要光信号17并可以由这个首要光信号例如通过光束分离器分叉。
第二光信号20b通过拉曼交互作用利用光纤维在光波长方面修改并对应于反向散射发射的斯托克斯部分。为了分叉这个斯托克斯部分，装置19可以具有相应的滤波器。
第三光信号20c同样通过拉曼交互作用利用光纤维在光波长方面修改并对应于反向散射发射的反斯托克斯部分。为了分叉这个反斯托克斯部分，装置19同样可以具有相应的滤波器。
光信号20a，20b，20c在合适的转换器装置21a，21b，21c中被转换为电信号10a，10b，10c。转换器装置21a，21b，21c另外例如可以包括光电倍增器，光电二极管，雪崩光电二极管或其它合适的传感器装置并在需要时包括电放大器。
由转换器装置21a，21b，21c形成的电信号10a，10b，10c各自在混合器11a，11b，11c中与第二信号7混合。在此，通过该混合产生的混合信号12a具有对应于差频fZF的频率。在此，通过该混合产生的混合信号12b，12c精确具有差频fZF，并在信号振幅和信号相位中包括通过与测量对象的拉曼交互作用产生的信息。
混合信号12a，12b，12c各自在AD模数转换器13，13b，13c中数字化。在此每个混合信号12a，12b，12c利用第三电信号8的第三频率扫描。基于三个DDS系统1，2，3中的每个处的相同时钟信号5总是精确达到期望的扫描频率。
滤波在共同后连接的数字滤波器14中完成，该滤波器可以对应于第一实施方式的数字滤波器14。在随后设置的分析装置15中可以分析滤波数据并特别进行傅里叶变换，从而可以确定待获取的物理量的空间分辨的测量数据。
根据图3的第三实施方式与根据图2的实施方式之间的区别基本在于，激光器16不直接利用第一电信号6的第一频率fRF(t)进行调制，而是使用用于调制由激光器16形成的光发射23的第一光调制器22。由第一光调制器22形成的光信号17通过装置19联接到光纤维18中。
在三个已经参考图2描述的由装置19形成的光信号20a，20b，20c以外，在第三实施方式中还由装置19形成另一光信号20d。这个光信号例如可以涉及光发射的反向散射瑞利部分。
肯定存在这种可能性，即也可以在第三实施方式中只设置三个形成的光信号20a，20b，20c。此外也可以在第二实施方式中规定一起获取第四个形成的信号20d。
此外还设置第二光调制器24，其中利用第二频率fLO(t)调制激光器16的光发射23的部分。由第二光调制器24形成的光信号25与光信号20a，20b，20c，20d光混合或者联接到这些光信号中。
这些混合光信号26a，26b，26c，26d在合适的转换器装置21a，21b，21c，21d中被转换为电信号12a，12b，12c，12d。在此，与第二实施例中相同，信号12a具有对应于差频fZF的频率。在此，信号12b，12c，12d此外还精确具有差频fZF，并在信号振幅和信号相位中包括通过与测量对象的拉曼交互作用产生的信息。
同样地，与第二实施方式中相同，混合信号12a，12b，12c，12d各自在AD模数转换器13a，13b，13c，13d中数字化。在此每个混合信号12a，12b，12c，12d都利用第三电信号8的第三频率扫描。基于三个DDS系统1，2，3中的每个处的相同时钟信号5总是精确达到期望的扫描频率。
第四实施方式(图4)与第三实施方式(图3)的区别并不重要。由第一光调制器22形成的光信号17通过环行器27联接到光纤维18中。由光纤维18形成的信号通过环行器到达第二光调制器24。此处利用第二频率fLO(t)完成额外的调制，从而由第二光调制器24形成的光信号28利用差频fZF调制。
这个信号28进入用于光束分离和滤波的装置29，在该装置中所述信号被滤波并在此被分开到单个管道中，从而由装置29形成光信号26a，26b，26c，26d。这些信号与第二和第三实施例中相同得到进一步处理。
肯定存在这种可能性，即在该实施方式中只设置三个形成的光信号26a，26b，26c。此外也可以在第二和第三实施方式中使用相应的部件，例如环行器27。

Claims (10)

1.一种用于空间分辨地测量物理量的方法，包括下列方法步骤：
-产生具有随时间变化的第一频率(fRF(t))的第一电信号(6)，
-产生具有随时间变化的第二频率(fLO(t))的第二电信号(7)，该第二频率与所述第一频率(fRF(t))相差差频(fZF)，
-产生光信号(17)并利用所述第一频率(fRF(t))对该光信号调制，
-该光信号(17)通过与测量对象的交互作用而被修改，其中所述修改包括关于要空间分辨地测量的物理量的信息，
-修改后的光信号(20a，20b，20c，20d)被转换为至少一个电信号(10，10a，10b，10c)中，其中
-所述修改后的光信号(20a，20b，20c，20d)在所述转换之前利用所述第二频率(fLO(t))被调制，或者
-所述修改后的光信号(20a，20b，20c，20d)在所述转换之前与利用所述第二频率(fLO(t))调制的信号(25)混合，或者
-所述至少一个电信号(10，10a，10b，10c)与所述第二电信号(7)混合，
-混合的信号(12，12a，12b，12c，12d)被数字化，
-根据数字化的数据空间分辨地确定要测量的物理量，
其特征在于，
-产生具有第三频率第三电信号(8)，其中所述第三频率对应于所述差频(fZF)或对应于所述差频(fZF)的倍数，并且
-以所述第三频率扫描所述混合的信号(12，12a，12b，12c，12d)以进行数字化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三频率是所述差频(fZF)和系数2N的乘积，其中N＝0，1，2......。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一电信号(6)和/或所述第二电信号(7)和/或所述第三电信号(8)借助直接数字合成产生。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，为直接数字合成所述第一电信号(6)和/或所述第二电信号(7)和/或所述第三电信号(8)使用时钟信号(5)，其中特别地，为直接数字合成所述第一电信号(6)和所述第二电信号(7)和所述第三电信号(8)使用相同的时钟信号(5)。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述第三频率对应于所述差频(fZF)的倍数。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述方法是频域方法，特别是OFDR方法。
7.一种用于空间分辨地测量物理量的设备，特别是适于实施根据权利要求1至6之一所述的方法的设备，包括：
-用于产生具有随时间变化的第一频率(fRF(t))的第一电信号(6)的装置，
-用于产生具有随时间变化的第二频率(fLO(t))的第二电信号(7)的装置，该第二频率与所述第一频率(fRF(t))相差差频(fZF)，
-光发射源，特别是激光器(16)，用于产生光信号(17)，该光信号能被触发为使得或其输出信号能被调制为使得：能产生利用所述第一频率(fRF(t))调制的光信号(17)，
-用于使得能够实现所述光信号(17)与测量对象的交互作用的装置(19)，其中该光信号(17)能通过与关于要空间分辨地测量的物理量的信息交互作用而被修改，
-转换器装置(21a，21b，21c，21d)，该转换器装置能将修改后的光信号(20a，20b，20c，20d)转换为至少一个电信号(10，10a，10b，10c)，
-混合和/或调制装置，该混合和/或调制装置
-能在所述转换之前利用所述第二频率(fLO(t))调制所述修改后的光信号(20a，20b，20c，20d)，或者
-能在所述转换之前将所述修改后的光信号(20a，20b，20c，20d)与利用所述第二频率(fLO(t))调制的信号(25)混合，或者
-能将来自所述转换的至少一个电信号(10，10a，10b，10c)与所述第二电信号(7)混合，
-用于数字化至少一个混合的信号(12，12a，12b，12c，12d)的数模转换器(13，13a，13b，13c)，
-分析装置(15)，用于由数字化的数据空间分辨地确定要测量的物理量，
其特征在于，
所述设备此外还包括用于产生具有第三频率的第三电信号(8)的装置，其中所述第三频率对应于所述差频(fZF)或对应于所述差频(fZF)的倍数，并且该数模转换器(13，13a，13b，13c)能以所述第三频率扫描所述至少一个混合的信号(12，12a，12b，12c)以将其数字化。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述用于产生具有随时间变化的第一频率(fRF(t))的第一电信号(6)的装置是第一直接数字合成系统(1)和/或所述用于产生具有随时间变化的第二频率(fLO(t))的第二电信号(7)的装置是第二直接数字合成系统(2)和/或所述用于产生具有第三频率的第三电信号(8)的装置是第三直接数字合成系统(3)。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述设备此外还包括时钟发生器(4)，该时钟发生器能为所述第一直接数字合成系统(1)和/或所述第二直接数字合成系统(2)和/或所述第三直接数字合成系统(3)加载时钟信号(5)。
10.根据权利要求7至9之一所述的设备，其特征在于，所述测量对象是光纤维(18)，所述设备优选包括所述光纤维，其中要空间分辨地测量的物理量尤其是所述光纤维(18)的局部温度。
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