CN109073364A - 用于ofdr解调仪监测和优化的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

示例实施例将光学放大器添加到多通道连续扫频OFDR测量系统，在上升和下降激光器扫频之间调节放大的扫频的激光器输出功率，和/或利用其中通常不执行OFDR测量的激光器扫频的部分以增强OFDR测量系统的完整性，提高OFDR测量的性能和质量，并执行附加的测量和测试。

Description

用于OFDR解调仪监测和优化的方法和装置
本申请要求2016年6月29日提交的题为“METHODS AND APPARATUS FOR OFDRINTERROGATOR MONITORING AND OPTIMIZATION”(“用于OFDR解调仪监测和优化的方法和装置”)的美国临时专利申请62/355,957的优先权和权益，该申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请中描述的技术涉及用于光纤形状感测的光学频域反射计(OFDR)测量以及涉及用于提高那些OFDR测量的准确性和可靠性的数据处理技术。
背景技术
光学应力感测是一种用于测量波导的物理变形的技术，该物理变形由，例如，光纤的张力、压缩或温度的变化引起。多纤芯光纤由嵌入单根光纤中的若干独立波导组成。沿着纤芯的长度的应力的连续测量可以通过通常以光学频域反射计(OFDR)测量的形式使用扫频的波长干涉仪解释纤芯的光学响应来导出。通过知道沿着光纤长度的纤芯的相对位置，可以组合这些独立的应力信号以获得应用于多纤芯光纤的应力分布的测量。光纤的应力分布是指在高(例如，小于50微米)样品分辨率下沿着光纤长度施加的弯曲应力、扭曲应力和/或轴向应力的测量。
先前的专利已经描述了使用多纤芯光纤的基于OFDR的形状感测(例如，参见通过引用并入的美国专利7，781，724和8，773，650)。基于OFDR的形状感测光纤的一些应用需要在形状感测输出的准确性和可靠性方面具有高度可信度。一个非限制性示例应用是在外科手术或其他环境中使用的机器人臂。
在OFDR测量系统中，存在三个基本元素：光，光穿过的介质(例如，光纤波导)，以及检测光并将其转换为电信号的接收器。这些基本元素中的每一个都有助于执行测量的准确性。图1中示出了一个示例光纤形状感测系统，其包括可调谐激光器1，其是扫频的，以将不同频率或波长的光提供给耦合到光纤传感器/被测器件(DUT)3(这里也称为“传感器3”或“DUT 3”)的光网络2。可调谐激光器在波长或频率的调谐范围内的每次扫描产生一组OFDR测量数据。光网络2耦合到检测、采集和控制电子器件4，其包括将光学信息转换成电信号的检测器、将模拟电信号转换成数字电信号的模数转换器，以及现场可编程门阵列(FPGA)以处理采集的数据和控制采集。检测、采集和控制电子器件4向处理器5提供输出以进行进一步处理，例如计算光纤的形状，并最终从光纤传感器/DUT 3输出信息。处理器5还可以包括或替代性地包括FPGA或GPU。
在图1所示的示例光纤形状感测系统中，形状测量取决于若干因素，包括精确检测从介质反射的光的能力，该介质是多纤芯光纤传感器。基于OFDR的光纤形状感测检测光纤传感器每个纤芯的点对点长度变化，并且OFDR测量系统的精度和噪声依赖于从测量到测量的，光到光纤传感器的可重复传输以及反射光的可重复检测。在光学频域和时域中，变化频率(在OFDR中，激光是经由波长或频率的测量范围扫频(sweep)或扫描(scan)的)的反射光的检测对于实现精确的光纤形状测量是重要的。不是传感光纤中物理变化的结果的OFDR扫描到扫描差异或扫描间差异会在OFDR测量数据中引入误差，如果不减少或校正他们(差异)的话。示例误差源包括激光调谐速度变化、光学输出功率波动、干涉仪路径长度变化、纤芯到纤芯延迟漂移以及OFDR通道中的电信号延迟。
假设纤芯之间的检测电路的相对延迟是恒定的，纤芯之间的相位变化可以被解释为由传感光纤的物理变化引起的。但是发明人发现这些延迟关系随时间变化、随温度变化，和/或受到解调设备故障的影响。数据采集和处理中引入的延迟漂移将误差引入OFDR测量，这被错误地解释为传感光纤形状的物理变化。此外，激光扫描到激光扫描光学功率水平的变化也会导致OFDR测量误差。这种光学功率水平变化可导致激光的上升扫频和下降扫频之间的不匹配的信噪比(SNR)和/或在执行OFDR测量的光频率范围内的变化的SNR。
发明内容
示例实施例包括光学测量系统，其测量包括多个光学纤芯的光纤传感器。可调谐激光器在第一测量范围的波长上扫频，并且光学放大器放大扫频的激光。光网络将放大的扫频的激光提供给光纤传感器，并输出来自光纤传感器的反射光，其与多个纤芯中的每一个相关联。检测电路检测并将来自光纤传感器的输出的反射光转换成对应的电信号。数据处理电路控制光学放大器的增益以控制扫频的激光的功率。
光学放大器可以例如利用连接到泵浦激光器源的输出和来自耦合到可调谐激光器的光分路器的激光的一部分的掺铒光纤放大器(EDFA)来实现。
一个示例光学测量系统是光学频域反射计(OFDR)解调系统。光网络包括耦合到检测电路的激光监测器干涉仪和耦合到光纤传感器和检测电路的测量干涉仪。可调谐激光器在第一测量范围的波长上连续扫频，以便检测电路在可调谐激光器的上升扫频和下降扫频期间从光纤传感器采集OFDR测量数据。
在示例实施方式中，数据处理电路控制光学放大器的增益，以补偿可调谐激光器的上升扫频和下降扫频期间的激光器功率不平衡或波动；校正光学放大器在第一测量范围的频率内的多个不同频率处的增益；控制光学放大器的增益，以在第一测量范围的频率上维持基本恒定的激光器功率水平；并且控制光学放大器的增益为用于可调谐激光器的上升扫频的第一增益和用于可调谐激光器的下降扫频的第二不同增益。
其他示例实施例包括用于测量包括多个光学纤芯的光纤传感器的光学频域反射计(OFDR)解调系统。可调谐激光器在第一测量范围的波长上扫频，产生扫频的激光器输出信号。调制器将已知信号添加到扫频的激光器输出。光学干涉测量网络将放大的扫频的激光提供给光纤传感器，并输出来自光纤传感器的反射光，与多个纤芯中的每一个相关联的该反射光对应于传感器测量数据。检测电路检测来自光纤传感器的输出的反射光，并将输出的反射光转换成对应的电信号。数据处理电路基于添加的已知信号处理传感器测量数据，该数据是在第一测量范围的波长内的可调谐激光器的扫频期间采集的。
数据处理电路可以被配置成基于添加的已知信号确定误差，该误差来自由光学干涉测量网络、光纤传感器或检测电路中的一个或更多个引起的延迟。
示例实施方式特征包括激光器驱动器，其中调制器耦合到激光器驱动器的输出。调制器可以包括耦合到数模转换器和滤波器的控制器，该数模转换器驱动压控振荡器，该滤波器用于对来自压控振荡器的输出进行滤波以产生已知信号。另一示例调制器包括数控振荡器和滤波器，该数控振荡器用于产生二进制信号，该二进制信号具有用于提供时钟信号的最高有效位，该滤波器用于对时钟信号进行滤波以产生已知信号。光纤可以具有N个光学纤芯，N是大于3的正整数，并且调制器包括数控振荡器，其用于产生N个相位信号，该N个相位信号对应于N个光学纤芯和N-1个相位差信号。传感器测量数据中的相位误差可以基于N-1个相位差信号。
可调谐激光器扫频可以包括：上升扫频，其中波长在第一测量范围的波长内从最小波长增加到最大波长；以及下降扫频，其中波长在第一测量范围的波长内从最大波长减小到最小波长。激光器扫频包括在上升扫频和下降扫频之间过渡的转向部分。可以控制调制器以在转向部分期间将已知信号添加到扫频的激光器输出。替代性地，可以控制调制器以将已知信号添加到波长在第一测量范围的波长之外的扫频的激光器输出。
更进一步的示例实施例包括OFDR解调系统，其具有可调谐激光器，该可调谐激光器在第一测量范围的波长上扫频，包括：可调谐激光器的上升扫频，其中波长在第一测量范围的波长内从最小波长增加到最大波长；以及可调谐激光器的下降扫频，其中波长在第一测量范围的波长内从最大波长减小到最小波长。激光器扫频包括在上升扫频和下降扫频之间过渡的转向部分。光学干涉测量网络将放大的扫频的激光提供给光纤传感器，并输出来自光纤传感器的反射光，与多个纤芯中的每一个相关联的该反射光对应于传感器测量数据。检测电路检测来自光纤传感器的输出的反射光，并将输出的反射光转换成对应的电信号。数据处理电路处理传感器测量数据(该数据是在第一测量范围的波长内的可调谐激光器的上升扫频和下降扫频期间采集的)并在激光器扫频的转向部分期间执行附加操作。
例如，附加操作可以在除了预定范围内的扫频的激光波长之外的扫频的激光波长处执行附加测量。在这种情况下，对于一些其他扫频的激光的波长的激光，和对于第一测量范围的波长内的可调谐激光器的扫频的激光，前者的扫频速率可以比后者的扫频速率慢。
其他示例附加操作包括在上升扫频和下降扫频中平衡扫频的激光的功率水平，对光纤传感器进行基于散射的OFDR测量，以及响应于系统动态执行系统内检查或调节。
如果光纤传感器包括在第一测量范围的波长内提供光反射的光纤布拉格光栅(fiber Bragg gratings)，则另一示例附加操作包括使基于散射的OFDR测量与光栅反射在波长上分开。
附图说明
图1示出了一个示例OFDR测量系统。
图2是示出激光器扫频(sweep)或扫描(scan)中的转向点的曲线图。
图3示出了根据示例实施例的一个示例OFDR测量系统。
图4示出了根据示例实施例的一个更详细的示例OFDR测量系统。
图5是示出在没有校正的OFDR系统中的示例的氰化氢(HCN)气体池功率水平的下降对比上升的曲线图。
图6A和图6B是分别示出示例激光器扫频和泵浦激光器功率的曲线图。
图7是示出在具有校正的OFDR系统中的示例的氰化氢(HCN)气体池功率水平的下降对比上升的曲线图。
图8是说明了示例过程的流程图，该示例过程用于在OFDR测量系统中实现EDFA并且用于调节泵浦激光器增益以平衡用于上升和下降激光器扫频的激光器功率输出。
图9是一种激光器驱动系统的图表。
图10是将调制添加到图12中的激光器驱动系统的图表。
图11示出了第一示例激光器调制器方法。
图12示出了第二示例激光器调制器。
图13是根据示例实施例的一种用于调制和测量的装置。
图14是根据示例实施例的一种示例装置，其用于通过与用于调制激光器的相同信号进行混合来进行相位计算。
图15是说明示例过程的流程图，该示例过程用于使用激光二极管纹波注入执行延迟监测。
图16A和图16B是示出线性化之前和之后的带外激光器调制的曲线图。
图17A和图17B是示出在激光器调谐转向时的激光器调制的曲线图。
图18是示出根据示例实施例的用于进行附加测量的扩展转向点的图表。
图19是示出根据示例实施例的除了通常的更快速度扫频部分之外的示例带外慢速激光器扫频部分的曲线图。
图20A和图20B是示出快速扫频部分和慢速带外扫频部分的曲线图。
图21是说明示例过程的流程图，该示例过程用于利用激光器扫频边缘和转向来执行附加测量。
图22示出根据示例实施例的一种示例OFDR测量系统。
图23示出光纤光学形状感测系统应用到机器人外科手术臂的一种示例使用。
具体实施方式
以下描述阐述了具体细节，例如出于解释而非限制的目的的特定实施例。但是，本领域技术人员将理解的是，可以采用没有这些具体细节的其他实施例。在一些情况下，省略了对众所周知的方法、接口、电路和设备的详细描述，以免使用不必要的细节模糊描述。在附图中示出了对应于各种节点的单独的块。本领域技术人员将理解的是，那些块的功能可以通过以下方式来实现：使用单独的硬件电路，使用与适当编程的数字微处理器或通用计算机结合的软件程序和数据，和/或使用专用集成电路(ASIC)，和/或使用一个或更多个数字信号处理器(DSP)。软件程序指令和数据可以存储在非暂时性计算机可读存储介质上，并且当指令由计算机或其他合适的处理器控制执行时，计算机或处理器执行与那些指令相关联的功能。
因此，例如，本领域技术人员将理解的是，本文中的图表可以表示说明性电路或其他功能单元的概念视图。类似地，应当理解的是，任何流程图、状态转换图、伪代码等表示各种处理，其可以基本上在计算机可读介质中表示并且因此由计算机或处理器执行，无论这样的计算机或处理器是否是明确示出。
可以通过使用诸如电路硬件和/或能够执行软件的硬件(该软件以存储在计算机可读介质上的编码指令的形式)的硬件来提供各种所说明元件的功能。因此，这些功能和所说明的功能块应被理解为是硬件实现的和/或计算机实现并且因此是机器实现的。
在硬件实现方面，功能块可以包括或包含，但不限于，数字信号处理器(DSP)硬件、精简指令集处理器、硬件(例如，数字或模拟)电路(包括但不限于(一个或更多个)专用集成电路(ASIC)和/或(一个或更多个)现场可编程门阵列(FPGA)，以及(在适当的情况下)能够执行这些功能的状态机)。
就计算机实现而言，计算机通常被理解为包括一个或更多个处理器或一个或更多个控制器，并且术语计算机、处理器和控制器可以互换使用。当由计算机、处理器或控制器提供时，这些功能可以由单个专用计算机或处理器或控制器提供、由单个共享计算机或处理器或控制器提供、或由多个单独的计算机或处理器或控制器提供，其中一些可以是共享的或分布式的。此外，术语“处理器”或“控制器”还指能够执行这些功能和/或执行软件的其他硬件，例如上述示例硬件。
本申请中描述的技术确定并减少或消除了影响光纤测量的误差源。
在OFDR系统中增加的增益和增益平衡
如在引言中所描述的，图1是一种示例OFDR测量系统。单个可调谐激光器1在一定频率/波长范围上扫频的非放大的光被引导到光网络2，并且来自传感器或DUT 3的反射光与穿过光网络2的参考路径的光干涉。所得到的光通过检测和采集电子器件4检测并转换成数字形式，并在处理器5中处理，以提供所需的OFDR测量，例如光纤传感器3的形状。在一些情况下，OFDR测量在一个激光器扫频方向上执行，增加或减少光频率。根据应用要求，例如更新速率、扫频速率和扫频范围，仅在激光器的单个扫频方向上执行所需的测量并不总是合适的。许多应用需要激光随着上升/增加扫频和下降/减小扫频而连续扫频。
图2中示出了连续激光器扫频的一个示例，其描绘了作为时间的函数的激光器的光频率。该绘图的斜率表示激光器的扫频速率。对于上升扫频，激光器从较低的光频率调谐到较高的光频率。对于下降扫频，激光器从较高的光频率调谐到较低的光频率。除了这些上升扫频和下降扫频之外，本申请中还将扫频的附加部分称为激光器转向，其包括从一次测量完成到下一次测量开始的激光器扫频的部分。转向包括在激光器的扫频速率变慢之前继续当前扫频，最终改变扫频方向，然后沿相反方向加速，直到达到所需的扫频速率。
当光纤传感器3处于拉伸或压缩状态时，光纤纤芯经历一定量的延长或缩短。弯曲、扭曲和整体拉伸引起在各种光纤纤芯中测量的应力的变化。可以形成一个矩阵来描述光纤传感器上的弯曲、扭曲和应力与每个纤芯上的应力之间的关系。例如，如果光纤传感器中的四个纤芯用于测量形状，则这四个纤芯中的应力与作为长度的函数来施加的弯曲、扭曲和应力之间的关系为：
这里εi(z)是在纤芯i中作为沿传感器距离z的函数来测量的应力，α是与弯曲应力(“弯曲增益”)相关的常数，β是与扭曲应力(“扭曲增益”)相关的常数，γi(z)是相对于光纤中心的纤芯i的径向位置，θi是相对于参考纤芯(如图1A-图1C中的纤芯2)的纤芯i的角位置，Bx(z)是作为沿传感器距离的函数在X-Z平面中的弯曲(见图2)，By(z)是作为距离的函数在Y-Z平面中的弯曲，T(z)是作为距离的函数的传感器的扭曲，以及E(z)是作为距离的函数施加到传感器的轴向应力。
使用光学频域反射计(OFDR)可以实现具有高分辨率和高灵敏度的测量，其中所述测量是沿着光纤传感器的长度反射的光的幅度和相位的测量。
在多通道OFDR解调系统的情况下，每个通道对应于多纤芯光纤传感器或DUT中的纤芯。在多通道OFDR解调系统中，添加放大器以增加每个通道的功率可能是有利的。示例实施例将掺铒光纤放大器(EDFA)添加到OFDR系统中，以增加耦合到光纤传感器的激光的功率。但EDFA在OFDR测量系统中引入了一个新变量：放大器增益。当EDFA中的泵浦激光器是由恒定电流源驱动时，EDFA的增益可以根据各种因素而变化，各种因素包括扫频的激光器的调谐方向、被放大的光的瞬时波长，以及扫频速度或激光速率。
图3中示出了添加的EDFA的一个示例实施例。示出由检测、采集和控制电子器件4控制的可调谐激光器1，其具有1520nm-1560nm的示例波长扫频范围。由检测、采集和控制电子器件4控制的泵浦激光器7向掺铒光纤放大器(EDFA)8提供特定波长(例如980nm)的光。光分路器6将来自可调谐激光器1的光分入两个路径：一路到EDFA8，一路到光网络2的参考路径。来自EDFA8的放大的光被分入每个OFDR测量通道并被引导到多纤芯传感器光纤(包括光纤传感器3)的每个纤芯。
图4示出了EDFA的一个详细示例实施例，该EDFA被添加到用于示例6纤芯光纤传感器的基于OFDR的解调系统。来自频率可调谐激光器16的光(在该示例中由处理器22而不是数据采集电子器件20控制)在激光监测器干涉仪10和测量干涉仪12之间用90/10耦合器分开。在激光监测器干涉仪10中，使用3x3耦合器将光分入三条路径。第一条路径进入检测器以监测激光器功率。第二路径穿过氰化氢(HCN)气体池到达检测器以提供绝对波长参考。最后的路径通过隔离器和另一个3x3耦合器到两个法拉第旋转镜(FRM)，其中一段与另一段具有已知的延迟差。来自该干涉仪的返回信号形成同相/正交(I/Q)信号。当相位偏移为120度时，I/Q信号被转换为正交信号，并用于测量激光器扫频时光频率的变化。
使用干涉仪12的参考分支和测量分支之间的90/10耦合器分开进入测量干涉仪12的光。使用级联耦合器将参考分支中的光分成六个参考信号。测量分支中的光穿过隔离器，然后通过一段掺铒光纤。用来自980nm泵浦激光器18的光泵浦该光纤，在该示例中来自980nm泵浦激光器18的光由处理器22而不是数据采集电子器件20控制，并且通过波分复用(WDM)耦合器耦合。掺铒光纤和泵浦激光器18的这种组合放大了干涉仪的测量分支中的光。光穿过另一个隔离器，然后通过偏振控制器，其经设置以在随后的扫描中在两个正交(或接近正交)的偏振状态之间翻转光。然后用级联耦合器将光分入六个测量通道。使用2x2耦合器将返回光与六个参考路径组合。然后，对于数据采集电路20的每个通道(C、I、J、K、U、V)输入，这些组合信号穿过偏振分束器(PBS)到两个检测器(S和P)，形成偏振不同的检测方案。这产生了从多纤芯光纤的多达六个纤芯反射的光的干涉测量。使用扇出组件14将六个通道(C、I、J、K、U、V)连接到多纤芯光纤传感器24的每个纤芯，扇出组件14将六个单纤芯光纤28耦合成多纤芯电缆23中的六个纤芯，该多纤芯电缆23由连接器25连接到多纤芯光纤传感器24。控制器/数据处理器22控制可调谐激光器16、偏振控制器和偏振分束器，并且还驱动泵浦激光器18。数据处理器22还采集并处理来自光电二极管检测器中的每个的数据，该光电二极管检测器由数据采集电路20提供。
对于测量的每个光纤的光学纤芯，记录的数据是作为两个偏振态S和P的光频率的函数的反射幅度。控制器/数据处理器22使用来自激光监测器干涉仪10的数据将该记录数据相对于光频率线性化，使得它以相等的光频率增量表示。线性化数据被傅里叶变换到时域中，以便将反射光的幅度和相位作为沿每个光纤纤芯的光学延迟的函数表示。来自两个连续的正交偏振扫描的S和P数据被组合以补偿光纤纤芯中的双折射并形成来自每个纤芯的反射光的幅度和相位的标量测量。将该组合的复信号(幅度和相位)与参考扫描中记录的干涉测量的数据进行比较，并且每个纤芯的所得相位差/变化是测量信号，其用于计算光纤的当前形状。
测量的相位变化的导数与每个纤芯中的应力成比例。将相位与纤芯i中的应力相关的比例常数γi是该纤芯的应力-光学系数。等式1可以表示为：
其中是作为沿光纤传感器24的距离的函数的纤芯i的测量相位变化的导数。
因为光纤传感器的位置是通过以下建立的：首先测量每个纤芯中的相位变化，然后通过沿着光纤积分弯曲Bx(z)和By(z)来进行计算，同时考虑到扭曲τ(z)，需要这个等式的倒数：
这里，被称为形状矩阵。
在测量分支中添加光纤放大器提供的优点是，至传感器或DUT的增加的功率，但它也会在激光器的上升扫频和下降扫频之间以功率波动的形式引入OFDR测量误差。图5中的曲线图示出了这些波动的一个示例，其说明了上升和下降激光器扫频之间的功率水平的差异，这是由于在2,937,500GHz/s下在10nm上执行的扫频之间的放大中的差异。使用代替传感器或DUT连接的HCN气体池(图4中未示出)检测到的功率水平示出上升和下降激光器扫频测量之间的超过2dB的差。注意的是，在图5中，上升激光器扫频数据(粗黑线)已被反转，用于与下降激光器扫频数据(细黑线)进行比较；两者都从较高到较低的光频率显示。
泵浦激光器功率的变化导致EDFA的增益变化，其响应时间是荧光寿命和掺铒光纤中的信号和泵浦功率的函数。当调节泵浦激光器功率时，在EDFA输出端的功率发生变化之前会有一段延迟。随着可调谐激光器扫频，作为波长的函数的这种延迟以及EDFA的增益响应可能影响EDFA输出。为了补偿EDFA的增益如何作为波长的函数变化，可以在输出滤波器处添加增益平坦化滤波器(GFF)。但即使在基于扫频方向变化的相同波长处也存在增益差。而且，GFF受温度依赖性波长漂移的影响。
在连续扫频的OFDR系统中，随着可调谐激光器的光频率增加(激光器的上升扫频)和扫频的激光器的光频率降低(激光器的下降扫频)，来采集OFDR测量数据。使用光学放大器放大光，光学放大器的下降扫频的增益高于上升扫频的增益。这种增益差可能导致系统性能不佳，测量结果不准确。
为了校正扫频期间和从扫频到扫频的不平衡功率，示例实施例改变预定点之间的泵浦激光器功率，以在OFDR系统中维持对传感器光纤或被测器件(DUT)的基本恒定的输出功率水平。在一个示例实施例中，放大器增益在两个状态之间被调制：一个状态用于上升扫频，一个状态用于下降扫频。该实施例允许在两个激光器扫频方向上的功率被平衡。进一步，可以通过添加增益设置点而在激光扫频内调制放大器增益，以在采集OFDR测量数据的光频率范围内平坦化功率。示例实施例还使用转向来进行调节以平衡上升和下降激光器扫频之间的激光器功率。一个示例调节包括在整个扫频周期内调节驱动可调谐激光器二极管的电流，该整个扫频周期包括上升、下降和转向部分。
在示例实施例中，为了补偿与扫频方向相关的增益差，数据、采集和控制电子器件4将放大器的泵浦激光器功率调节到用于上升扫频和下降扫频的预校准水平。具体地，该系统被配置成包括用于泵浦激光器的两个功率状态：一个状态用于下降扫频，一个状态用于上升扫频。(替代性地，可以由处理器5控制调节)。图6A和图6B说明了这种泵浦激光器功率切换的一个示例。
观察图6A和图6B，下降扫频功率维持原样，并且上升扫频功率增加以匹配下降扫频的功率。由于放大器的增益存在响应延迟，因此在激光器转向开始时，在下降扫频的完成之后，泵浦激光器被驱动到更高的功率水平。在转向开始时设置泵浦激光器功率水平提供了足够的时间，用于将放大器增益调节到新水平。
图7比较了对放大器的泵浦激光器功率的施加调节后的上升(粗线)和下降(细线)扫频的HCN功率水平，该调节将上升和下降激光器扫频之间的平均功率差降低到0.02dB以下。
除了调节泵浦激光器功率以补偿扫频方向相关的增益之外，泵浦激光器功率还可以在激光器扫频周期的过程期间被调节为包含2个以上的设置点，以进一步平坦化到DUT的功率。
图8是说明了示例过程的流程图，该示例过程用于在OFDR测量系统中实现EDFA并且用于调节泵浦激光器增益以平衡用于上升和下降激光器扫频的激光器功率输出。确定EFDA的功率要求(步骤S1)，并且EDFA被配置成满足增益要求，该要求包括增益介质类型、长度和泵浦方向(步骤S2)。确定EDFA在光网络中的放置，并将EDFA添加到光网络中(步骤S3)。可调谐激光器被配置用于需要的扫频行为(步骤S4)。确定在上升和下降激光器扫频之间的增益差(步骤S5)。在指定光频率处添加泵浦激光器功率设置点以平衡上升和下降激光器扫频之间的EDFA增益(步骤S6)。调节泵浦激光器功率设置点以平衡EDFA输出功率(步骤S7)。
使用已知信号调制激光器输出
在光纤传感系统中，延迟的测量是重要的。测量的一种延迟是多纤芯光纤传感器的纤芯之间的延迟变化。该延迟变化可以根据每个纤芯的参考相位的相位漂移或相位差来测量。在OFDR系统中，存在许多延迟路径，光学信号和对应的电信号在被OFDR检测和采集系统检测之前经历该延迟路径。其中，一个示例延迟是通过检测和采集系统而与测量干涉仪到光电二极管的参考路径相关联的延迟。
示例实施例监测这些路径的延迟的变化，并提供测量，该测量可用于发信号通知错误数据并校正光网络的参考路径中的动态相位漂移。更具体地，通过将已知信号(例如，具有已知频率的纹波信号)注入激光器，可以计算该频率下的每个延迟路径的相位。在一个示例实施方式中，在不执行快速傅立叶变换(FFT)的情况下完成该计算。在一组频率/波长上执行该测量产生系统中每个检测通道的相位响应。
除了在激光器转向期间调节放大器的泵浦激光器之外，示例实施例还在激光器转向期间执行系统内测试。在这些示例实施例中，光学(例如，OFDR)测量系统中的可调谐激光二极管输出被调制以检测系统内的光学和电学延迟的变化。以下示例中的调制包括将已知信号(例如，具有已知频率的纹波)注入可调谐激光二极管输出。可以使用其他已知的信号或调制技术。
因为在OFDR系统中需要恒定的激光器功率，所以可以专门设计控制系统和处理算法以减少或补偿可调谐激光器输出中存在的任何纹波。图9说明了驱动和维持恒定功率输出的典型二极管驱动器电路。驱动激光二极管32的二极管驱动器30可以是通过模拟和/或数字闭环控制方案控制的电流源。驱动器30还可以是存储在存储器中的值的查找表，其由处理器检索以在开环方式中将电流调节到激光器扫频周期中的指定位置处的预定水平。该表还可以通过内部和/或外部控制过程定期更新，以维持激光器功率水平随时间的变化。
激光器功率中的不需要的调制可以以宽带噪声的形式或作为传感器或DUT中实际不存在的反射事件在OFDR测量中引入误差。与传统思想相反，示例实施例有意地将纹波注入激光二极管输出信号中，并采取步骤以便不使OFDR测量降级。
图10描绘了激光二极管驱动器30以及调制器34，激光二极管驱动器30以及调制器34的输出由组合器36组合并提供给激光二极管32。调制器34可以以各种方式实现并且以各种方式与二极管驱动器30信号组合，例如将信号连接在一起或将它们添加到配置为加法器的运算放大器。
调制器34的一个示例在下面的图11中示出，并且其包括处理器控制的数模转换器(DAC)40、压控振荡器(VCO)42，以及提供信号增益控制和低通滤波的有源滤波器44。在该示例实施例中，处理器5通过将DAC 40输出电压设置为需要的值来选择VCO 42输出信号频率。然后，可以通过将VCO 42输出信号添加到激光二极管驱动信号，来将VCO 42输出信号用作调制器。可以根据需要的信号特性(例如幅度和噪声水平)应用附加的滤波/放大44。示例处理器5包括现场可编程门阵列(FPGA)、微控制器、数字信号处理器或其他处理器。这种调制方法的一个缺点是，为了测量调制信号和检测到的光信号之间的相位差，需要附加的数据采集通道来测量VCO输出的频率。
调制器34的另一示例实施例在图12中示出，并且其包括具有或控制数控振荡器(NCO)46的处理器5。NCO 46产生表示所需频率的正弦波的数字输出。根据该数字输出，产生对应于NCO输出的最高有效位(MSB)48的时钟信号。根据处理器5的输出的数字时钟信号由滤波器/整形器50进行低通滤波，以便带宽限制数字时钟信号的内容。一个示例滤波器/整形器50是RC滤波器。在该示例实施例中，滤波后的时钟信号是添加到激光二极管驱动信号以将纹波注入激光器输出的调制信号。该技术仅需要最少的外部部件，并且具有纹波信号(时钟)直接源自处理器5的优点。结果，处理器5知道纹波信号的频率，因此不需要附加的测量来确定被调制信号的频率。当在OFDR系统中执行高分辨率相位差测量时，这些特征是有利的。
通过添加这种类型的调制器来驱动激光二极管产生激光，该激光携带已知的频率纹波信号分量(例如已知的幅度调制)通过光学器件和电子检测电路的所有路径。测量穿过光网络的参考路径的光，在数据采集电子器件4中检测OFDR系统中每个测量通道的幅度调制信号。测量在每个通道上(每个通道对应多纤芯光纤传感器中的一个纤芯)检测到的纹波信号的相位差，该纹波信号来自原始注入的调制频率的纹波，并且该相位差是通道之间的光学延迟差的测量和电学延迟差的测量。
图13中示出了一种示例调制和测量系统。作为示例，假设NCO 46被设置为12.5MHz，其中MSB 48被用作发送到滤波器/整形器50的时钟信号，并且在36处与来自二极管驱动器30的激光器输出组合。然后，调制的驱动器输出驱动用于扫频光网络2的可调谐激光器32。N个通道的光网络响应由光电二极管52检测，并且对应的N个电信号被调节54并通过ADC(模拟数字转换器)56被转换为N个数字信号，该N个数字信号对应于N个纤芯ODFR测量通道。由DSP或处理器58处理N个通道数字信号以产生N个不同的通道相位并计算和输出N-1个相位差信号，该N-1个相位差信号是关于一个公共的通道相位的，在每个确定的通道相位之间的相位差信号。可以选择公共通道作为OFDR通道之一。
来自N个通道的数据由处理器5在时域中采集，意味着每个点以指定频率(例如，200MHz)被采样。为了确定每个通道的注入纹波的相位，对来自每个通道的测量数据执行快速傅里叶变换(FFT)，而不必执行数据线性化。这与用于传感器/DUT的OFDR测量的处理不同，在用于传感器/DUT的OFDR测量中，OFDR测量数据在测量过程期间必须首先基于激光器调谐速度来线性化或重新采样。一旦对非线性化测量数据执行FFT，就在对应于12.5MHz调制信号的索引12,500处的数据中观察到峰值(在该示例中)。为了确定N个通道之间的相位差，DSP 58获取FFT结果并计算每个通道的索引12,500处的复数点的相位，以确定在调制频率处检测到的信号的相位。然后从所有N个通道中减去一个公共通道(示例通道0)。这些来自于N-1个通道中的每一个的相对于公共通道0的所得N-1相位差指示光纤传感器中的N个纤芯之间的N-1个延迟差。例如，在形状感测应用中，如果没有从OFDR测量中移除延迟差，则光纤中的N个纤芯之间的N-1个延迟差可以产生显著的误差。
通过在DUT或传感器的频率范围上扫频NCO 46，计算每个频率处的每个OFDR测量通道的相位，从而产生光网络的参考路径、电子采集和检测电路的相位响应，该相位相应是针对作为频率的函数的每个纤芯测量通道的相位响应。该相位响应用于校正每个测量通道之间的相位差。另外，监测该相位响应的变化提供了对光网络和电子器件中的延迟路径的实时监测，其可以用于提供反馈以检测由于光学和电学延迟路径变化而引起的测量误差。
发明人认识到，因为仅需要FFT的单个点的相位，所以可以通过使用与调制器相同的频率将从N个通道采集的数据混合到基带，来计算相位而不执行完整的FFT，在这个例子中，该调制器是NCO的输出，用于提供调制信号。一旦处于基带，每个通道的DC项就是在其处计算相位并与公共通道进行比较的点。通过累加每个通道的基带信号的复数分量并计算所得复数值的相位来计算相位。这些操作可以例如在DSP或FPGA中执行。
图14中示出了这种DSP处理的示例。来自N纤芯OFDR测量的N个数字样本在混合器60中与来自NCO 46的输出信号混合。混合器60将每个通道乘以复数NCO 46输出(正弦和余弦)。复数混合信号在62处累加(求和)并从复数形式转换为极性形式以确定相位。这些相位值表示被调制信号和每个通道的检测的信号之间的相位差。为了获得通道之间的相位差，在66处从N个通道中的每一个中减去一个公共通道的相位，以确定通道之间的N-1个相位差。
图15是流程图，其说明用于使用激光二极管纹波注入执行延迟监测的示例过程。将电子器件添加到OFDR系统以在一个或更多个频率下调制激光二极管(步骤S10)，并且选择注入的纹波(更多个纹波)的频率(更多个频率)(步骤S11)。添加的纹波位于传感器的测量频率范围之外的一个或更多个频率中，以确保添加的纹波不会干扰传感器测量(步骤S12)。将纹波信号注入激光二极管输出(步骤S13)，并且以调制频率(更多个调制频率)对所有被监测的通道进行OFDR数据和相位测量(步骤S14)。DSP计算N个通道之间的调制信号的相位差，以确定是否发生光学或电学延迟的变化(步骤S15)。
使用激光器扫频边缘和转向来执行附加测量
虽然调制激光可能干扰传感器测量，但是干扰也可能由光纤传感器中的反射事件引起。发明人认识到需要理解和解释的是，线性化对该调制信号的影响。线性化是指基于激光器的瞬时调谐速率重新采样所采集的测量数据的过程。线性化过程的结果是测量数据，其在光频率上而不是在时间上等间隔。
图16A示出了没有线性化的带外调制如何产生强的可观察峰值，所述强的可观察峰值是指相对于调制源的频率处的传感器光栅。对调制信号的测量不需要线性化，因为这只是时域测量中幅度调制信号的测量，而不是OFDR测量。图16B说明了线性化对这种信号的影响。作为线性化过程的一部分进行的重新采样基于扫频激光器的调谐速率波动，在宽范围的频率上扩展该信号。
如果不考虑该信号的调制频率和时间，则调制激光器功率可能干扰正在执行的测量。例如，如果调制信号太靠近包括在沿光纤传感器上的传感器光栅，则当数据被线性化时，调制信号可能干扰OFDR光栅测量。在基于OFDR的测量中，激光二极管的调制可以与OFDR测量同时进行，条件是调制频率在OFDR测量的预期频率之外。但是，必须注意确保光纤传感器连接器和终端反射是最小化的。否则，当与调制信号耦合时，这些反射可以产生干扰信号，这在光纤传感器内产生附加的不需要的调制频率，这会在OFDR测量中引入误差。
如果正在执行光栅测量，则较高的光栅强度可以破坏调制信号的测量。发明人认识到解决该问题的几种选择。一种选择是将调制频率限制在光栅光纤之外的频率。该选择的缺点是可能的测量误差，因为没有测量传感器实际驻留位置的频率。通过将调制从测量区域内的频率移动到转向频率，可以消除该缺点。根据放大器的响应和转向持续时间，可以完全关闭放大器或降低放大器增益。充分降低放大器增益可以将光栅反射降低到低于本底噪声，从而允许执行调制测量，而没有来自光栅的任何可测量的干扰。
如图17A和图17B所说明的，为了避免测量干扰，示例实施例在激光器扫频的转向点期间执行基于激光二极管调制的测量。图17B的示例示出了仅在转向时间期间发生的调制，尽管可能存在一些实施例，其中一些调制可以在转向时间之外或连续地发生。
发明人认识到，这些激光器扫频转向点提供了进行进一步校正、执行检查和进行其他动态调节的机会。图18中的曲线图所说明了激光器的这种连续扫频动作可以进一步分解为不同部分。
一个示例实施例使用激光器扫频转向来执行超出光纤传感器波长的附加OFDR测量数据采集。例如，在包括布拉格光栅的光纤传感器的情况下，可以设计光栅反射或限制光纤以反射已知波长范围内的光。配置连续激光器扫频以使得转向超出了从光纤传感器采集的那些OFDR测量的波长范围，即超出图19所示的激光器扫频的快速上升和快速下降部分。这允许OFDR测量在激光器扫频的转向部分中的附加的波长范围上进行。扩展转向以包括附加范围还允许执行基于瑞利散射(Rayleigh scatter)的OFDR测量(其与基于布拉格光栅的OFDR测量不同)。
除了采集超出光栅频率范围的数据或主要OFDR测量之外，可以在激光器扫频的较慢扫频速率部分处进行带外OFDR测量，如图19所说明。通过在这些部分中减慢激光器扫频速率，可以沿光纤传感器在更长的距离上执行带外OFDR测量。
OFDR测量范围的示例扩展在图20A和图20B中说明。图20A描绘了一个示例光纤布拉格光栅幅度测量，其具有更快的扫频速率和沿着光纤传感器的更短的延迟或长度。利用更宽的激光器扫频或扫描范围提供更高的分辨率，但更快的扫频速率导致更短的测量范围，因为奈奎斯特速率(即，对信号进行采样而不引入误差的最小速率，其是存在于信号中的最高频率的两倍)位于距离0ns较短的延迟/距离处。图20B示出了较慢的、较低分辨率扫频的曲线图。由于较慢的扫频速率和利用超出光栅范围的光频率，可以测量超出传感光纤的那些的反射事件。
图21是流程图，其说明利用激光器扫频边缘和转向来执行附加测量的示例过程。激光被配置成执行需要的扫频行为，包括例如用于进行附加测量的需要的扫频速率和功率(步骤S20)。确定波长指定数据采集开始位置和采集指定参数，例如测量的波长范围和测量中的需要的点的数量(步骤S21)。数据采集电路在指定的波长范围上采集并处理ODFR测量(步骤S22)。
图22说明了OFDR系统的一个示例，其包括上述的多个特征，诸如激光调制器(诸如上述示例之一)和用于调节泵浦激光器功率水平的频率指定功率水平。根据示例实施例，存储在存储器35中的频率指定功率水平表由在检测、采集和控制电子器件4中的处理控制电路使用，以控制泵浦激光器功率水平。组合调制器34输出与二极管驱动器电路30的输出以便控制可调谐激光器1的输出功率，例如，出于前小节中描述的原因，和/或以便将被调制信号注入激光器输出，例如，出于本小节刚才描述的原因。
上述技术具有广泛和多样的应用，以提高光网络测量的准确性和可靠性。耦合到OFDR测量仪器的形状感测光纤的一个非限制性示例应用是是在外科手术或其他环境中使用的机器人臂，其在形状感测输出的准确性和可靠性方面需要高度可信度。图23示出了用于机器人外科手术臂的光纤光学形状感测系统的一个示例使用，其中可以使用上述各种技术特征和/或实施例中的一个或更多个。
尽管已经详细示出和描述了各种实施例，但是权利要求不限于任何特定实施例或示例。以上描述均不应理解为暗示任何特定元件、步骤、范围或功能是必要的，使得它必须包括在权利要求范围内。专利主题的范围仅由权利要求限定。法律保护的范围由允许的权利要求及其等同物中所述的词语来限定。本领域普通技术人员已知的上述优选实施例的元件的所有结构和功能等同物通过引用明确地并入本文，并且旨在由本申请权利要求包含。此外，设备或方法不必解决由所描述的技术寻求解决的每个问题，因为它包含在本申请权利要求中。除非使用“用于…的装置”或“用于…的步骤”(“means for”或“step for”)，否则权利要求不旨在援引美国专利法第35条112款第6段(paragraph 6 of 35 USC§112)。此外，无论在权利要求中是否记载实施例、特征、部件或步骤，本说明书中的实施例、特征、部件或步骤都不旨在捐献于公众。

Claims (39)

1.一种用于测量包括多个光学纤芯的光纤传感器的光学测量系统，包括：
可调谐激光器，其被配置成在第一测量范围的波长上扫频激光；
光学放大器，其放大扫频的激光；
光网络，其向所述光纤传感器提供放大的扫频的激光，并且输出来自所述光纤传感器的反射光，输出的反射光与所述多个光学纤芯中的每一个相关联；
检测电路，其检测来自所述光纤传感器的输出的反射光并将其转换成对应的电信号；以及
数据处理电路，其控制所述光学放大器的增益，以控制所述扫频的激光的功率。
2.根据权利要求1所述的光学测量系统，其中所述光学放大器利用连接到泵浦激光器源的输出的掺铒光纤放大器即EDFA和连接到来自耦合到所述可调谐激光器的光分路器的激光的一部分来实现。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的光学测量系统，其中所述光学测量系统是光学频域反射计解调系统，即OFDR解调系统，其中所述光网络包括耦合到所述检测电路的激光监测器干涉仪和耦合到所述光纤传感器和所述检测电路的测量干涉仪，以及
其中所述可调谐激光器被配置成在所述第一测量范围的波长上连续扫频，使得所述检测电路在所述可调谐激光器的上升扫频和下降扫频期间从所述光纤传感器采集OFDR测量数据。
4.根据权利要求3所述的光学测量系统，其中所述数据处理电路被配置成控制所述光学放大器的所述增益，以在所述可调谐激光器的所述上升扫频和所述下降扫频期间补偿激光器功率不平衡或波动。
5.根据权利要求3所述的光学测量系统，其中所述数据处理电路被配置成校正所述光学放大器在所述第一测量范围的波长内的多个不同频率处的所述增益。
6.根据权利要求3所述的光学测量系统，其中所述数据处理电路被配置成控制所述光学放大器的所述增益，以在所述第一测量范围的波长上维持基本恒定的激光器功率水平。
7.根据权利要求3所述的光学测量系统，其中所述数据处理电路被配置成将所述光学放大器的所述增益控制为用于所述可调谐激光器的所述上升扫频的第一增益和用于所述可调谐激光器的所述下降扫频的第二不同增益。
8.一种用于测量包括多个光学纤芯的光纤传感器的光频率频域反射计解调系统即OFDR解调系统，包括：
可调谐激光器，其被配置成在第一测量范围的波长上扫频激光并产生扫频的激光器输出信号；
调制器，其向所述扫频的激光器输出信号添加已知信号；
光学干涉测量网络，其向所述光纤传感器提供所述扫频的激光并输出来自所述光纤传感器的反射光，与所述多个光学纤芯中的每一个相关联的输出的反射光对应于传感器测量数据；
检测电路，其检测来自所述光纤传感器的输出的反射光并将其转换成对应的电信号；以及
数据处理电路，其基于添加的已知信号处理在所述第一测量范围的波长内的所述可调谐激光器的扫频期间采集的所述传感器测量数据。
9.根据权利要求8所述的OFDR解调系统，其中所述数据处理电路被配置成基于所述添加的已知信号确定由以下中的一个或更多个引起的延迟的误差：所述光学干涉测量网络、所述光纤传感器和所述检测电路。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的OFDR解调系统，还包括激光器驱动器，其中所述调制器耦合到所述激光器驱动器的输出。
11.根据权利要求8或权利要求9所述的OFDR解调系统，其中所述调制器包括耦合到数模转换器和滤波器的控制器，所述数模转换器被配置成驱动压控振荡器，并且所述滤波器用于对来自所述压控振荡器的输出进行滤波以产生所述已知信号。
12.根据权利要求8或权利要求9所述的OFDR解调系统，其中所述调制器包括数控振荡器和滤波器，所述数控振荡器用于产生具有用于提供时钟信号的最高有效位的二进制信号，并且所述滤波器用于对所述时钟信号进行滤波以产生所述已知信号。
13.根据权利要求8或权利要求9所述的OFDR解调系统，其中存在N个光学纤芯，N是大于3的正整数，并且其中所述调制器包括数控振荡器以产生对应于所述N个光学纤芯的N个相位信号以及N-1个相位差信号。
14.根据权利要求13所述的OFDR解调系统，其中所述数据处理电路被配置成基于所述N-1个相位差信号确定所述传感器测量数据中的相位误差。
15.根据权利要求14所述的OFDR解调系统，其中所述可调谐激光器被配置成通过以下方式在所述第一测量范围的波长上扫频激光，包括：上升扫频，其中激光波长在所述第一测量范围的波长内从最小波长增加到最大波长；下降扫频，其中所述激光波长在所述第一测量范围的波长内从所述最大波长减小到所述最小波长；以及在所述上升扫频和所述下降扫频之间过渡的转向部分，以及
其中所述调制器被配置成被控制以在所述转向部分期间将所述已知信号添加到扫频的激光器输出信号。
16.根据权利要求14所述的OFDR解调系统，其中所述可调谐激光器被配置成通过以下方式在所述第一测量范围的波长上扫频激光，包括：上升扫频，其中激光波长在所述第一测量范围的波长内从最小波长增加到最大波长；以及下降扫频，其中所述激光波长在所述第一测量范围的波长内从所述最大波长减小到所述最小波长，以及
其中所述调制器被配置成被控制以将所述已知信号添加到波长在所述第一测量范围的波长之外的扫频的激光器输出信号。
17.一种用于测量包括多个光学纤芯的光纤传感器的光频率频域反射计解调系统，即OFDR解调系统，包括：
可调谐激光器，其被配置成通过以下方式在第一测量范围的波长上进行扫频，包括：所述可调谐激光器的上升扫频，其中激光波长在所述第一测量范围的波长内从最小波长增加到最大波长；所述可调谐激光器的下降扫频，其中所述激光波长在所述第一测量范围的波长内从所述最大波长减小到所述最小波长；以及在所述上升扫频和所述下降扫频之间过渡的转向部分；
光学干涉测量网络，其向所述光纤传感器提供扫频的激光并输出来自所述光纤传感器的反射光，与所述多个光学纤芯中的每一个相关联的输出的反射光对应于传感器测量数据；
检测电路，其检测来自所述光纤传感器的输出的反射光并将其转换成对应的电信号；以及
数据处理电路，其处理在所述第一测量范围的波长内的所述可调谐激光器的所述上升扫频和所述下降扫频期间采集的所述传感器测量数据，并在所述转向部分期间执行附加操作。
18.根据权利要求17所述的OFDR解调系统，其中所述附加操作在所述第一测量范围之外的扫频的激光波长处执行附加测量。
19.根据权利要求18所述的OFDR解调系统，其中对于在所述第一测量范围之外的所述扫频的激光的波长中的一些，和对于在所述第一测量范围的波长内的波长，前者的所述可调谐激光器的扫频速率比后者的所述可调谐激光器的扫频速率慢。
20.根据权利要求17所述的OFDR解调系统，其中所述附加操作在所述上升扫频和所述下降扫频中平衡所述扫频的激光的功率水平。
21.根据权利要求17或权利要求18至20中任一项所述的OFDR解调系统，其中所述附加操作包括对所述光纤传感器进行基于散射的OFDR测量。
22.根据权利要求17或权利要求18至20中任一项所述的OFDR解调系统，其中光纤传感器包括光纤布拉格光栅，其提供在所述第一测量范围的波长内的光反射，并且其中所述附加操作包括使基于散射的OFDR测量与所述光反射在波长上分开。
23.根据权利要求17或权利要求18至20中任一项所述的OFDR解调系统，其中所述附加操作包括响应于系统动态执行系统内检查或调节。
24.一种用于测量包括多个光学纤芯的光纤传感器的方法，包括：
在第一测量范围的波长上扫频激光；
放大扫频的激光；
将放大的扫频的激光提供给所述光纤传感器并输出来自所述光纤传感器的反射光，所述反射光与所述多个光学纤芯中的每一个相关联；
将来自所述光纤传感器的所述反射光转换成对应的电信号；以及
控制光学放大器的增益以控制所述扫频的激光的功率。
25.根据权利要求24所述的方法，其中控制所述光学放大器的所述增益包括：
控制所述增益以补偿所述激光的上升扫频和下降扫频期间的激光器功率不平衡或波动。
26.根据权利要求24所述的方法，其中控制所述光学放大器的所述增益包括：
校正所述光学放大器在所述第一测量范围的波长内的多个不同频率处的所述增益。
27.根据权利要求24所述的方法，其中控制所述光学放大器的所述增益包括：
控制所述增益以在所述第一测量范围的波长上维持基本恒定的激光器功率水平。
28.根据权利要求24所述的方法，其中控制所述光学放大器的所述增益包括：
使用用于所述激光的上升扫频的第一增益和用于所述激光的下降扫频的第二增益。
29.一种使用光学频域反射计解调系统即OFDR解调系统来测量包括多个光学纤芯的光纤传感器的方法，所述方法包括：
在第一测量范围的波长上扫频来自可调谐激光器的激光并产生扫频的激光器输出信号；
向所述扫频的激光器输出信号添加已知信号；
使用光学干涉测量网络以将所述扫频的激光提供给所述光纤传感器并输出来自所述光纤传感器的反射光，与所述多个光学纤芯中的每一个相关联的所述反射光对应于传感器测量数据；
将来自所述光纤传感器的所述反射光转换成对应的电信号；以及
基于添加的已知信号处理在所述第一测量范围的波长内的所述激光的扫频期间采集的所述传感器测量数据。
30.根据权利要求29所述的方法，其中在所述第一测量范围的波长上扫频激光包括：
包括上升扫频，其中在所述第一测量范围的波长内激光波长从最小波长增加到最大波长，
包括下降扫频，其中在所述第一测量范围的波长内所述激光波长从所述最大波长减小到所述最小波长，以及
包括转向部分，其在所述上升扫频和所述下降扫频之间过渡。
31.根据权利要求30所述的方法，其中在所述转向部分期间将所述已知信号添加到所述扫频的激光器输出信号。
32.根据权利要求29所述的方法，其中，
在所述第一测量范围的波长上扫频激光包括：
包括上升扫频，其中在所述第一测量范围的波长内激光波长从最小波长增加到最大波长，
包括下降扫频，其中在所述第一测量范围的波长内所述激光波长从所述最大波长减小到所述最小波长，以及
将所述已知信号添加到所述扫频的激光器输出信号包括在所述第一测量范围的波长之外的波长处的添加。
33.一种使用光学频域反射计解调系统即OFDR解调系统来测量包括多个光学纤芯的光纤传感器的方法，所述方法包括：
在第一测量范围的波长上通过以下方式扫频来自可调谐激光器的激光：包括上升扫频，其中在所述第一测量范围的波长内激光波长从最小波长增加到最大波长；包括下降扫频，其中在所述第一测量范围的波长内所述激光波长从所述最大波长减小到所述最小波长；以及包括在所述上升扫频和所述下降扫频之间过渡的转向部分；
使用光学干涉测量网络将扫频的激光提供给所述光纤传感器并输出来自所述光纤传感器的反射光，与所述多个光学纤芯中的每一个相关联的所述反射光对应于传感器测量数据；
将来自所述光纤传感器的所述反射光转换成对应的电信号；
处理在所述上升扫频和所述下降扫频期间采集的所述传感器测量数据；以及
在所述转向部分期间执行附加操作。
34.根据权利要求33所述的方法，其中在所述转向部分期间执行附加操作包括：
在所述第一测量范围之外的扫频的激光的波长处执行附加测量。
35.根据权利要求34所述的方法，其中在所述第一测量范围之外的扫频的激光的波长处执行附加测量。
与对于所述第一测量范围的波长内的扫频波长相比，以较慢的速率扫频所述第一测量范围之外的扫频的激光的波长中的一些。
36.根据权利要求33所述的方法，其中在所述转向部分期间执行附加操作包括：
在所述上升扫频和所述下降扫频中平衡所述扫频的激光的功率水平。
37.根据权利要求33所述的方法，其中在所述转向部分期间执行附加操作包括：
对所述光纤传感器进行基于散射的OFDR测量。
38.根据权利要求33所述的方法，其中光纤传感器包括光纤布拉格光栅，其在所述第一测量范围的波长内提供光反射，并且其中在所述转向部分期间执行附加操作包括：
使基于散射的OFDR测量与所述光反射在波长上分开。
39.根据权利要求33所述的方法，其中在所述转向部分期间执行附加操作包括：
响应于系统动态执行系统内检查或调节。
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