DE102015212962B4 - Verfahren zur Bestimmung spektraler Charakteristika eines optischen Signals eines Messobjekts - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung spektraler Charakteristika eines optischen Signals eines Messobjekts (1) mithilfe einer Auswertungsvorrichtung mit diskreter Abbildungsfunktion, wobei die Auswertungsvorrichtung eine erste Lichtquelle (2a) und eine erste Abbildungseinheit (3a) umfasst, bei dema) für eine Anzahl (N) an Kanälen eine jeweilige Funktion (ωn) einer Lichtintensität über die Wellenlänge (λ) bereitgestellt wird, die zusammen eine Kanalcharakteristik der ersten Abbildungseinheit (3a) bilden;b) ein Referenzspektrum (f(λ)) des Messobjekts (1) mit einer zweiten, hochauflösenden Abbildungseinheit (3b) ermittelt wird, aus dem zumindest eine im Weiteren zu erfassende skalare Messgröße (λM) ermittelt wird;c) aus der Kanalcharakteristik und dem Referenzspektrum (f(λ)) für zumindest einen Teil der Anzahl (N) der Kanäle ein jeweiliges Referenzprofil (σ0[n]) erzeugt wird;d) aus einer vorgegebenen Veränderung des Referenzspektrums (f(λ)) und den durch mehrmalige Wiederholung von Schritt c) gewonnenen Referenzprofilen (σk[n]) ein Profilsatz an Referenzprofilen (σk[n]) ermittelt wird;e) eine Vermessung des Messobjekts (1) durchgeführt wird, indem das Messobjekt (1) durch die erste Lichtquelle (2a) bestrahlt wird und ein von dem Messobjekt (1) reflektiertes optisches Signal durch die erste Abbildungseinheit (3a) empfangen wird und Messwerte vermittelt werden;f) die skalare Messgröße (λM) der spektralen Form des optischen Signals aus einem Ähnlichkeitsvergleich der in Schritt e) ermittelten Messwerte mit den Referenzprofilen (σk[n]) des Profilsatzes ermittelt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung spektraler Charakteristika eines optischen Signals eines Messobjekts aus diskret vorliegenden Messwerten. Diese können mit Hilfe einer Auswertungsvorrichtung mit diskreter Abbildungsfunktion aufgenommen sein, wobei die Auswertungsvorrichtung eine erste Lichtquelle und eine erste Abbildungseinheit umfasst.
• Die spektrale Abtastung optischer Signale kann entweder seriell oder parallel erfolgen. Für eine serielle spektrale Abtastung kann eine Wellenlängen-scannende Lichtquelle oder ein entsprechender Empfänger verwendet werden. Eine parallele, spektrale Abtastung kann mit Hilfe eines Spektrometers oder sonstigen Auswerteeinheiten, die auf diffraktiven Elementen oder parallelen Filtern basieren, durchgeführt werden. Die Entscheidung für das ein oder andere Verfahren kann dabei durch Anforderungen an Auflösung, Zeitkontingent oder Synchronität der Messwerte gegeben sein. In beiden grundsätzlichen Messverfahren wird der Wellenlängenverlauf aufgrund der technischen Ausführung der Einrichtung zur Auswertung in der Regel diskretisiert. Bei optischen Messverfahren ist häufig die Erfassung einer sog. Mittenwellenlänge eines charakteristischen spektralen Verlaufs von Bedeutung, beispielsweise im reflektierten Licht eines in eine Glasfaser eingeschriebenen Faser-Bragg-Gitters.
• Zur Ermittlung der Mittenwellenlängen charakteristischer Verläufe im Spektralbereich bedient man sich bei diskretisiert vorliegenden Messwerten in der Regel sog. Subpixelverfahren. Bei einer endlichen Anzahl von Messwerten, die durch die Anzahl von Kanälen eines Spektrometers festgelegt ist, wird davon ausgegangen, dass jedem Messwert bzw. Kanal eine diskrete Wellenlänge zugeordnet werden kann. Die Zuordnung kann beispielsweise durch eine Kalibrierung vorgenommen werden. Die zu erwartende charakteristische spektrale Form wird dann mittels eines parametrierbaren arithmetischen Ausdrucks beschrieben und in durch Messung ermittelte Messdaten eingepasst. Gängige Methoden, vor allem im Bereich von Faser-Bragg-Gittern, sind beispielsweise quadratische Approximation, Gauss-Fit, Kayser-Peaks, Centroid-Detection-Algorithm oder Linearphasenoperator. Diese Methoden sind Standardwerkzeuge der Mathematik aus dem Bereich der Kurvenapproximation.
• Sie basieren auf der Annahme, dass der gemessene Werteverlauf (x[n]) dem Wellenlängenkontinuierlichen spektralen Verlauf f(λ) entspricht, gesampled an den jeweiligen Stützstellen mit entsprechend diskretisierter Wellenlänge. Mathematisch gesehen entspricht dies der Faltung des wellenlängenkontinuierlichen Spektralverlaufs mit einer endlichen Dirac-Pulsfolge: $$x\left[n\right]={\displaystyle \int ƒ}\left(\lambda \right)\delta \left(n-\lambda \right)d\lambda$$

  
• Aufgrund physikalischer Beschränkungen ist jedoch davon auszugehen, dass die abbildende Funktion keine ideale Dirac-Pulsfolge darstellt, sondern vielmehr sich unter Umständen teilweise überlappende Fensterfunktionen ω_n(λ), die den Wellenlängenbereich zu gewissen Anteilen auf die diskreten Messstellen abbilden: $$x\left[n\right]={\displaystyle \int ƒ}\left(\lambda \right){\omega }_n\left(n-\lambda \right)d\lambda$$

  
• Dadurch ergibt sich ein komplexer mathematischer Sachverhalt, der von den oben genannten Verfahren nicht aufgelöst wird. Die Verfahren gehen in der Regel zudem von einem generalisierten spektralen Verlauf aus, der nicht die vorhandenen individuellen Ausprägungen des zu vermessenden Spektrums darstellen kann.
• Die US 2011 / 0 317 148 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung spektraler Charakteristika eines optischen Signals eines Messobjekts. Bei diesem wird die Belastung einer Glasfaser mit optischen Mitteln bestimmt. Dazu wird eine durchstimmbare Lichtquelle verwendet, die in die Glasfaser strahlt, und die reflektierte Strahlung gemessen. Die gemessenen Daten werden mit Referenzdaten nach Übereinstimmung verglichen.
• Die US 7 538 883 B2 und die EP 1 586 879 A1 offenbaren Verfahren zur Bestimmung spektraler Charakteristika eines optischen Signals eines Messobjekts.
• Die US 2014 / 0 010 443 A1 und die US 2009 / 0 112 101 A1 offenbaren eine Objekterkennung auf Basis spektraler Daten. Zur Objekterkennung wird jeweils ein Reflexionsspektrum aufgenommen und mit Referenzprofilen verglichen. Dabei werden lediglich Amplitudenunterschiede im Spektrum berücksichtigt.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung spektraler Charakteristika eines optischen Signals eines Messobjekts anzugeben, welches eine exaktere Rückführung auf spektrale Charakteristika aus Messwerten mit geringerer Auflösung ermöglicht. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung eine entsprechende Vorrichtung anzugeben.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
• Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Bestimmung spektraler Charakteristika eines optischen Signals eines Messobjekts aus diskretisiert vorliegenden Messwerten vor. Diese können mit Hilfe einer Auswertungsvorrichtung mit diskreter Abbildungsfunktion aufgenommen sein. Die Auswertungsvorrichtung umfasst eine erste Lichtquelle und eine erste Abbildungseinheit. Bei der ersten Lichtquelle kann es sich um eine breitbandige Lichtquelle handeln, die durch ein Ausgangsspektrum mit einer Vorzugswellenlänge in einem bestimmten Wellenlängenbereich mit einer bestimmten Linienbreite charakterisiert ist, die Wellenlängen-variabel verändert werden kann, handeln. Die erste Lichtquelle ist breitbandig ausgeprägt und kann beispielsweise durch eine Superlumineszenzdiode (SLED) oder ASE bereitgestellt werden. Die erste Abbildungseinheit kann ein Spektrometer oder eine sonstige Auswerteeinheit, die auf diffraktiven Elementen oder parallelen Filtern basiert, sein. Die erste Abbildungseinheit ist dadurch charakterisiert, dass diese Wellenlängen-diskrete Kanäle auswerten kann.
• Bei dem Verfahren wird gemäß einem Schritt a) für eine Anzahl an Kanälen eine jeweilige Funktion einer Lichtintensität über die Wellenlänge bestimmt, die zusammen eine Kanalcharakteristik der ersten Abbildungseinheit bilden. Ein Kanal kann dabei einem diskreten Abbildungspunkt zugeordnet werden bzw. entsprechen.
• Gemäß einem Schritt b) wird mit einer zweiten, hochauflösenden Abbildungseinheit ein Referenzspektrum des Messobjekts ermittelt, aus dem zumindest eine im Weiteren zu erfassende skalare Messgröße ermittelt wird. Das zu vermessende Spektrum ist beispielsweise das von einem Faser-Bragg-Gitter einer Glasfaser reflektierte Licht. In diesem Spektrum wird der gewünschte Messwert, z.B. die Mittenwellenlänge, ermittelt. Dies kann beispielsweise über die Halbwertsbreite „Full Width at Half Maximum - FWHM“ realisiert werden. Bei der zweiten Abbildungseinheit handelt es sich beispielsweise um ein hochauflösendes Spektrometer oder ein OSA (Optical Spectrum Analyzer). Zur Ermittlung des Referenzspektrums ist zweckmäßigerweise das Objekt durch eine Vorrichtung auf ein oder mehrere vorgegebene Umgebungsparameter und/oder zu erfassende Messzustände einstellbar.
• Gemäß einem Schritt c) wird aus der Kanalcharakteristik und dem Referenzspektrum für zumindest einen Teil der Anzahl der Kanäle ein jeweiliges Referenzprofil erzeugt.
• Gemäß einem Schritt d) wird aus einer vorgegebenen Veränderung des Referenzspektrums und den durch mehrmalige Wiederholung gewonnenen Referenzprofilen ein Profilsatz an Referenzprofilen ermittelt, der „virtuellen“ oder „realen“ Veränderungen des Spektrums aus Schritt b) und mehrmaliger Wiederholung des Schritts c) entspringt.. Gemäß diesem Schritt kann die Erzeugung eines jeweiligen Referenzprofils für jeden der Kanäle oder eine Teilanzahl der Gesamtanzahl der Kanäle durchgeführt werden. Im letzteren Fall werden insbesondere die für einen benötigten Wellenlängenbereich relevanten Kanäle berücksichtigt. Die Selektion der Kanäle kann insbesondere zur Optimierung der Rechenzeit und eines Speicherbedarfs gewählt werden.
• Gemäß einem Schritt e) wird eine Vermessung des Messobjekts durchgeführt, indem das Messobjekt durch die erste Lichtquelle bestrahlt wird und ein von dem Messobjekt reflektiertes optisches Signal durch die erste Abbildungseinheit empfangen wird und Messwerte vermittelt werden.
• In einem Schritt f) erfolgt die Ermittlung der skalaren Messgröße der spektralen Form des optischen Signals aus einem Ähnlichkeitsvergleich der in Schritt e) ermittelten Messwerte mit den Referenzprofilen des Profilsatzes.
• Die Erfindung schlägt ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung spektraler Charakteristika eines optischen Signals eines Messsignals vor, das eine Auswertungsvorrichtung mit diskreter Abbildungsfunktion umfasst, wobei die Auswertungsvorrichtung eine erste Lichtquelle und eine erste Abbildungseinheit umfasst, wobei die Komponenten zur Durchführung des Verfahrens gemäß dieser Beschreibung ausgebildet sind.
• Das Verfahren der vorliegenden Erfindung nutzt ein individuelles Spektrum eines Messobjekts anstelle generischer Abbildungsfunktionen wie bei Subpixel-Algorithmen im Stand der Technik. Dabei erfolgt bei dem Verfahren eine inhärente Berücksichtigung der spektralen Eigenschaften der Lichtquelle und der Abbildungseinheit bei der Messung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Rückführung der erfassten Messwerte aus dem diskretisierten Spektrum auf wohldefinierte spektrale Eigenschaften im hochaufgelösten Spektrum erfolgt.
• Das Verfahren kann aufgrund der benötigten Operationen auf einfache Weise in eingebetteter Hardware (insbesondere in FPGAs) realisiert, optimiert und hochgradig parallelisiert umgesetzt werden. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren sind keine komplexen Operationen, wie z.B. durchzuführende Divisionen, Wurzelziehungen oder Logarithmen erforderlich. Das Verfahren lässt sich dadurch in einer die Messwerte und die Referenzprofile des Profilsatzes verarbeitenden Auswerteeinrichtung, ausschließlich in Hardware, realisieren.
• Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird eine Vermessung der ersten Abbildungseinheit über einen vorgegebenen Wellenlängenverlauf durchgeführt, wobei aus der Messung für die Anzahl an Kanälen die jeweilige Funktion der gemessenen Lichtintensität über die Wellenlänge bestimmt wird.
• Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird der Schritt des Vermessens der ersten Abbildungseinheit bei vorgegebenen Umgebungsbedingungen durchgeführt. Durch die vorgegebenen Umgebungsbedingungen, wie z.B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, dem Verstreichen einer definierten Aufwärmzeit usw., soll die Reproduzierbarkeit des Schritts des Vermessens der ersten Abbildungseinheit sichergestellt werden.
• In einer weiteren Ausgestaltung wird zum Vermessen der ersten Abbildungseinheit die erste Abbildungseinheit von einer zweiten Lichtquelle bestrahlt, wobei die zweite Lichtquelle eine durchstimmbare Lichtquelle geeigneter Linienbreite ist. Bei der zweiten Lichtquelle handelt es sich beispielsweise um einen durchstimmbaren Laser. Bei dem Schritt des Vermessens der ersten Abbildungseinheit wird für jeden diskreten Abbildungspunkt (Kanal) eine Funktion der gemessenen Lichtintensität über die Wellenlänge bestimmt.
• Die Ermittlung des Referenzspektrums erfolgt unter gleichbleibenden Bedingungen, kann aber für mehrere unterschiedliche Bedingungen wiederholt werden. Das Messobjekt kann hierzu an eine entsprechende Einrichtung, die die vorgegebenen Umgebungsparameter und/oder Messzustände einstellen kann, angebunden sein oder in einer solchen eingebettet sein. Beispielsweise können hierzu ein elektro-thermischer Wandler (TEC), wie z.B. ein Peltier-Element, ein Temperatur- oder Klimaschrank, ein Piezo-Dehnungs-Element, usw. verwendet werden.
• Insbesondere wird als Messzustand eine Temperatur und/oder eine Dehnung und/oder ein Moment eingestellt.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung werden zur Erzeugung des jeweiligen Referenzprofils für jeden Kanal der Teilanzahl der Kanäle das Referenzspektrum und die für den jeweiligen Kanal ermittelte Funktion der gemessenen Lichtintensität multipliziert und integriert. Beispielsweise kann die Summe von Produkten diskretisierter Werte nach Interpolation des erfassten hochauflösenden Spektrums und der Abbildungsfunktion gemäß Gleichung (2) gebildet werden. Damit ergeben sich die zu erwartenden Messwerte der ersten Abbildungseinheit bei der Messung unter gleichen Bedingungen.
• Zweckmäßigerweise wird zur Erzeugung des Profilsatzes der Schritt c) wiederholt, wobei für jede Wiederholung als Referenzspektrum das in der Wellenlänge um k verschobene Referenzspektrum verwendet wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass unter der Annahme einer prinzipiell gleichbleibenden spektralen Form und lediglich der Verschiebung der Mittenwellenlänge bei veränderlichen Bedingungen dieses Verfahren mit in der gewünschten Auflösung der späteren Messung in der Wellenlänge um k verschobenem hochauflösenden Spektrum wiederholt wird, um den Profilsatz der Referenzprofile zu erhalten. Dies kann unter Anwendung der nachfolgenden Gleichung (3) erfolgen: $${\sigma }_k\left[n\right]={\displaystyle \int ƒ}\left(\lambda -k\right){\omega }_n\left(n-\lambda \right)d\lambda$$

  
• Neben der Verschiebung um die Wellenlänge sind auch andere Adaptionen möglich, die eine Änderung der spektralen Form, z.B. eine Streckung oder Stauchung, mit einbeziehen. Ebenso ist die Generierung von Referenzprofilen aus mehreren, an verschiedenen Belastungszuständen (aufgrund unterschiedlicher Temperaturen und/oder Dehnungen, etc.) aufgenommenen, hochauflösenden und ineinander übergeführten Spektren denkbar.
• Alternativ oder zusätzlich kann zur Erzeugung der Referenzprofile des Profilsatzes Schritt b) unter verschiedenen Bedingungen wiederholt werden.
• Zur Erzeugung des Profilsatzes kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung die Teilanzahl der Anzahl der Kanäle in Abhängigkeit einer gewünschten Auflösung oder einer zu erwartenden Änderung der skalaren Messgröße über einen späteren Messverlauf oder der spektralen Eigenschaften des Referenzspektrums gewählt werden. Die Ermittlung des Profilsatzes kann einmalig erfolgen, wobei der Profilsatz dann in einem Speicher der Auswertungsvorrichtung hinterlegt wird. Beispielsweise kann die einmalige Ermittlung des Profilsatzes beim Einschalten der Auswertungsvorrichtung erfolgen. Hierdurch wird beispielsweise sichergestellt, dass die herrschenden Umgebungsbedingungen bei der nachfolgenden Messung berücksichtigt sind.
• Alternativ kann die Ermittlung des Profilsatzes zur Laufzeit erfolgen.
• Die Ermittlung der skalaren Messgröße kann beispielsweise durch eine Korrelation gemäß Gleichung (4) erfolgen: $${\lambda }_M={\lambda }_{M\mathrm{,0}}+{\text{arg max}}_k{\displaystyle \sum x\left[n\right]}{\sigma }_k\left[n\right]$$

  

  , wobei x[n] = ∫ƒ(λ)ω_n(n-λ)dλ ist. Alternativ kann die Ermittlung der skalaren Messgröße durch Minimierung einer Kostenfunktion, z.B. der Summe der quadratischen Abweichungen, erfolgen.
• Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung spektraler Charakteristika eines optischen Signals eines Messobjekts;
• 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung spektraler Charakteristika eines optischen Signals eines Messobjekts;
• 3 ein Diagramm, das für eine Anzahl an Kanälen die Intensität über einen bestimmten Wellenlängenbereich darstellt;
• 4 eine exemplarische Darstellung eines durch Messung ermittelten hochauflösenden Referenzspektrums;
• 5 ein ermitteltes Referenzprofil eines Messobjekts bei vorgegebenen Umgebungsbedingungen;
• 6 ein Diagramm, das die Korrelation von Messwerten mit einer Mehrzahl an zueinander verschobenen Referenzprofilen darstellt;
• 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung spektraler Charakteristika eines optischen Signals eines Messobjekts 1. Das Messobjekt 1 ist beispielsweise ein oder mehrere Faser-Bragg-Gitter einer Glasfaser. Das Messobjekt 1 ist charakterisiert durch ein Spektrum f(λ) mit einer definierten skalaren Messgröße, z.B. einer Mittenwellenlänge λ_M,0. Das Messobjekt 1 kann zur Erfassung einer oder mehrerer externer Größen derart verwendet werden, dass sich diese skalare Messgröße in einer Funktion der externen Größe oder Größen ändert. Die externe Größe kann beispielsweise eine Dehnung oder Stauchung aufgrund einer Temperaturänderung, einer Kraftänderung oder einer Momenteneinwirkung sein.
• Zur Auswertung des Spektrums f(λ) wird das Messobjekt von einer breitbandigen Lichtquelle 2a beleuchtet und von einer Auswertungseinheit 3a ausgewertet. Die Lichtquelle 2a kann beispielsweise durch eine Superlumineszenzdiode (SLED) oder eine ASE repräsentiert sein. Die Abbildungseinheit 3a ist beispielsweise ein Spektrometer oder eine sonstige Auswerteeinheit, die auf diffraktiven Elementen oder parallelen Filtern basiert. Das Spektrum ist charakterisiert durch Wellenlängen-diskrete, parallele Kanäle. Die einzelnen Komponenten des Messaufbaus sind vorzugsweise mit Glasfasern 10, 11, 12 miteinander verbunden sowie an den notwendigen und/oder weiteren Stellen durch Koppelelemente 4a, 4b miteinander gekoppelt. Die Koppelelemente können beispielsweise Koppler, Zirkulatoren, WDMs, Schaltmatrizen und/oder dergleichen sein.
• Die beschriebene Anordnung mit der Lichtquelle 2a, der Abbildungseinheit 3a, dem Messobjekt 1 sowie den Koppelelementen 4a, 4b und die die Komponenten miteinander verbindenden Glasfasern 10, 11, 12 stellen insoweit einen typischen Messaufbau dar. Es ist jedoch zu beachten, dass insbesondere auch die Verbindungen (Glasfasern 10, 11, 12) und die Koppelelemente 4a, 4b für die Anwendung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens auch auf andere Weise realisiert sein können. Insbesondere ist die Messvorrichtung entsprechend gängiger Messverfahren durch geeignete optische Mittel erweiterbar und/oder in andere Aufbauten integrierbar.
• Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der spektralen Charakteristika des optischen Signals des Messobjekts 1 erfolgt eine, wie in 1 dargestellte, Erweiterung des bislang beschriebenen Messaufbaus. Die Erweiterung um eine weitere Lichtquelle 2b und ein hochauflösendes Spektrometer 3b kann dauerhaft oder temporär erfolgen. Diese Komponenten sind über Glasfasern 13, 14 an die Koppelelemente 4b angebunden.
• Die weitere Lichtquelle 2b ist charakterisiert durch ein Ausgangsspektrum mit einer Vorzugswellenlänge in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich und einer vorgegebenen Linienbreite, die Wellenlängen-variabel verändert werden kann. Unter einer vorgegebenen Linienbreite ist eine Linienbreite zu verstehen, die insbesondere schmal gegenüber der Kanalbreite der Abbildungseinheit 3a ist. Die weitere Lichtquelle kann beispielsweise durch einen durchstimmbaren Laser repräsentiert sein. Die weitere, zweite Abbildungseinheit 3b kann beispielsweise durch ein hochauflösendes Spektrometer, beispielsweise einen Optical Spectrum Analyzer (OSA), repräsentiert sein.
• Mit Hilfe der durchstimmbaren Lichtquelle 2b wird eine Kanalcharakteristik der für spätere Messungen verwendeten Abbildungseinheit 3a über den Verlauf eines vorgegebenen, relevanten Wellenlängenbereichs bestimmt. Eine exemplarische Darstellung der spektralen Antwort individueller Kanäle der Abbildungseinheit 3a ist in dem Diagramm der 3 dargestellt. Dabei zeigt 3 für eine Anzahl an Kanälen (die bei generischen Subpixelverfahren einer bestimmten Wellenlänge λ zugeordnet sind bzw. entsprechen) den für jeden Kanal ermittelten Intensitätsverlauf I. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt N = 80 Kanäle betrachtet. Bei dieser Vermessung der Abbildungseinheit 3a ist sicherzustellen, dass die Umgebungseinflüsse vorgegebenen Kriterien entsprechen, um eine Wiederholbarkeit der Vermessung zu ermöglichen. Insbesondere ist eine vorgegebene Temperatur und/oder eine vorgegebene Luftfeuchtigkeit und/oder eine vordefinierte Aufwärmzeit zu berücksichtigen.
• Mit Hilfe der für die spätere Messung verwendeten Lichtquelle 2a (auch als Mess-Lichtquelle 2a bezeichnet) und dem hochauflösenden Spektrometer 3b wird ein Referenzspektrum f(λ) des Messobjekts 1 erfasst und die in den weiteren Messungen zu erfassende skalare Messgröße λ_M,0 definiert. Ein solches hochauflösendes Referenzspektrum des Messobjekts 1 bei vorgegebenen Umgebungsbedingungen ist exemplarisch in 4 dargestellt. 4 zeigt ein Diagramm, in dem die normierte, reflektierte Lichtintensität RI über der Wellenlänge λ dargestellt ist. Die skalare Messgröße ist, wie oben beschrieben, z.B. die Mittenwellenlänge λ_M,0. Zur Erfassung des in 4 dargestellten Referenzspektrums ist es zweckmäßig, wenn das Messobjekt 1 an eine in 1 nicht näher dargestellte Einrichtung angebunden und/oder in einer solchen Einrichtung eingebettet ist, die die Einstellung eines oder mehrerer gewünschter Umgebungsparameter und/oder die der zu erfassenden Messzustände des Messobjekts 1 zulässt. Eine solche Einrichtung kann beispielsweise einen thermoelektrischen Wandler (TEC), wie z.B. ein Peltier-Element, einen Temperatur-/Klimaschrank oder ein Piezo-Dehnungs-Element umfassen. Dadurch repräsentiert der in 4 dargestellte Verlauf des reflektierten optischen Signals des Messobjekts 1 einen realen Lastfall des Messobjekts 1.
• Für jeden Abbildungspunkt, d.h. jeden Spektrometerkanal, wird das hochauflösende Spektrum gemäß 4 mit der entsprechenden Abbildungsfunktion ω_n(λ) multipliziert und integriert. Dies erfolgt gemäß Gleichung (2). Gegebenenfalls wird die Summe von Produkten diskretisierter Werte nach Interpolation von hochauflösendem Spektrum und Abbildungsfunktion ermittelt. Damit ergeben sich für das gemäß 4 erstellte Referenzprofil die zu erwartenden Messwerte der Abbildungseinheit 3a bei der Messung unter gleichen Bedingungen. Das gemäß Gleichung (2) erzeugte Referenzprofil für die hochauflösende Messung gemäß 4 ist exemplarisch in 5 dargestellt. Dabei zeigt das Diagramm gemäß 5 einen normierten Messwert MV über der Kanalnummer n der Abbildungseinheit 3a.
• Aus der Kanalcharakteristik (siehe die Vermessung gemäß 3) und dem Referenzspektrum (siehe f(λ) in 4) wird für alle oder einen Teil der Kanäle ein jeweiliges Referenzprofil σ₀[n] erzeugt. Um einen Profilsatz σ_k[n] an Referenzprofilen gemäß Gleichung (3) zu erhalten, wird unter der Annahme einer prinzipiell gleichbleibenden spektralen Form, wie diese in 4 ermittelt wurde, und lediglich der Verschiebung der Mittenwellenlänge λ_M,0 bei veränderlichen Bedingungen (z.B. unterschiedlichen Temperaturen und/oder Dehnungen) das Verfahren mit der gewünschten Auflösung der späteren Messung in der Wellenlänge um k verschobenem hochauflösendem Spektrum f(λ) wiederholt.
• Neben der Verschiebung um die Wellenlänge sind zur Generierung des Profilsatzes an Referenzprofilen auch andere Adaptionen möglich, die beispielsweise eine Veränderung der spektralen Form (z.B. Streckung oder Stauchung) mit einbeziehen. Ebenso ist die Generierung des Profilsatzes an Referenzprofilen aus mehreren, an verschiedenen Belastungszuständen (unterschiedliche Temperaturen und/oder Dehnungen) aufgenommenen, hochauflösenden und gegebenenfalls in geeigneter Weise ineinander übergeführten Spektren denkbar. Der Profilsatz an Referenzprofilen kann somit aus einem einzigen hochauflösend aufgenommenen Spektralverlauf durch „virtuelles“ Verschieben generiert werden. Ebenso sind auch hochaufgelöste Aufnahmen jedes einzelnen Messzustands oder Kombinationen aus beiden Vorgehensweisen möglich. Der so generierte Profilsatz an Referenzprofilen kann beispielsweise in einer Profil-Datenbank oder Tabelle hinterlegt werden. Der Profilsatz an Referenzprofilen kann alternativ zur Laufzeit oder nach dem Einschalten der Vorrichtung zur Bestimmung spektraler Charakteristika neu erzeugt werden. Hierdurch ist es insbesondere möglich, aktuell herrschende Umgebungsparameter besonders gut für die Messung zu berücksichtigen.
• Der Profilsatz an Referenzprofilen kann auch mehrdimensional sein. Beispielsweise können Faser-Bragg-Gitter in doppelt brechenden Fasern (z.B. polarisationserhaltenen Fasern) eingeschrieben sein. Diese verändern ihre spektrale Form bei Temperaturänderung, was hochauflösend vermessen werden kann, und verschieben das Spektrum bei Dehnung. Dies kann beispielsweise durch „virtuelles“ Verschieben berücksichtigt werden.
• Alternativ können mehrere Faser-Bragg-Gitter in einer Spektrometerauswertung berücksichtigt sein. Solange die einzelnen Peaks nicht ineinanderlaufen, können sie jeweils einzeln betrachtet werden. Ansonsten besteht die Möglichkeit, benachbarte Peaks zusammen zu betrachten und kombinierte Profile zu erstellen, was auch „virtuell“ durch Verschieben und Addieren der hochauflösenden Spektren möglich ist.
• Die Berechnung der Referenzprofile σ_k[n] kann in gewünschten Schritten k ∈ M für eine wählbare Anzahl an Kanälen N mit n ∈ N gemäß Gleichung (3) erfolgen. Dabei muss insbesondere die Wahl für die k Schritte (und deren Anzahl M) nicht die volle Bandbreite der Abbildungseinheit 3a abdecken. Ebenso braucht N die Anzahl der Kanäle der Abbildungseinheit 3a nicht wiederspiegeln. Stattdessen ist eine geeignete Selektion (in Abhängigkeit einer gewünschten Auflösung, der zu erwartenden Änderung der skalaren Messgröße über den Messverlauf sowie der spektralen Eigenschaften des Referenzspektrums, wie z.B. Bandbegrenzung) zur Optimierung der Rechenzeit und des Speicherbedarfs möglich. Die Vermessung des Messobjekts 1 erfolgt unter Verwendung der Mess-Lichtquelle 2a und der Abbildungseinheit 3a. Die Ermittlung der skalaren Messgröße λ_M,0. (z.B. Mittenwellenlänge) der spektralen Form bei der Messung ergibt sich aus einem Ähnlichkeitsvergleich der Messwerte mit dem zuvor für gegebene Wellenlängenverschiebungen gespeicherten Messwertsätzen (Referenzprofile). Hier kann z.B. eine Korrelation gemäß Gleichung (4) erfolgen. Alternativ kann auch die Minimierung einer Kostenfunktion, z.B. der Summe der quadratischen Abweichungen, genutzt werden. In Bezug auf den Rechenaufwand ist eine Korrelation am einfachsten und am besten parallelisierbar. Insbesondere ist eine Realisierung in Hardware möglich.
• Durch die Kombination des beschriebenen Verfahrens mit zuvor bestimmten Entscheidungsmodalitäten kann eine Einschränkung des zu betrachtenden Wellenlängenbereichs erfolgen. Beispielsweise kann durch einfache Maximalwertbestimmung auf Kanalbasis der Suchbereich für die Messgrößenbestimmung eingeschränkt werden. Im Ergebnis ist die Anzahl der benötigten Rechenoperationen verringert.
• 6 zeigt eine Darstellung, welche einen Vergleich einer Korrelation von Messwerten mit den zuvor ermittelten Referenzprofilen zeigt. Dabei sind die normierten Messwerte MV über einer Teilauswahl von Kanälen n dargestellt. Die strichpunktierten Linien zeigen Referenzprofile RP eines Profilsatzes, welche gemäß vorhergegebenen Bedingungen verschoben sind. Die Messwerte MV und das bestmögliche Referenzprofil BFP aus dem Profilsatz liegen annähernd übereinander und sind jeweils mit einer durchgezogenen Linie dargestellt.
• Der Einfluss des Spektrums der Mess-Lichtquelle 2a wird bei der hochauflösenden Charakterisierung des Spektrums des Messobjekts 1 im hochauflösenden Spektrometer 3b mit charakterisiert. Aus modularen Gründen, z.B. einem Austausch der Lichtquelle oder der Vermessung mehrerer, unterschiedlicher Messobjekte, kann die Charakterisierung auch unabhängig voneinander erfolgen. Das für die weitere Signalverarbeitung benötigte hochauflösende Spektrum ergibt sich dann aus der Wellenlängen-kontinuierlichen Multiplikation aus normalisiertem Spektrum des Messobjekts und dem der Lichtquelle.
• Wenn das hochauflösende Spektrum des Messobjekts 1 normalisiert und/oder unabhängig von dem Spektrum der Lichtquelle 2a aufgenommen wird, kann durch einen weiteren Signalpfad von der Mess-Lichtquelle 2a zur Abbildungseinheit 3b (dieser Pfad ist in 1 nicht dargestellt) der Einfluss der Mess-Lichtquelle kontinuierlich mit berücksichtigt werden. Ein Einfluss kann sich beispielsweise über die Laufzeit, bei sich ändernden Temperaturen und dergleichen ändern. Die kontinuierliche Berücksichtigung erfolgt dabei typischerweise langsamer als die Messfrequenz der regulären Messung.
• Die veränderliche Charakteristik der Abbildungseinheit 3a lässt sich gemäß 1 über den direkten Pfad zwischen der weiteren Lichtquelle 2b und der Abbildungseinheit 3a bestimmen. Hierzu ist jedoch eine Unterbrechung einer laufenden Messung erforderlich. Dies bedeutet, die Mess-Lichtquelle 2a ist während der Unterbrechung ausgeschaltet.
• Bei einer dauerhaften Integration der weiteren Lichtquelle 2b und der hochauflösenden Abbildungseinheit 3b ist ein messbegleitender Folgeabgleich der hochauflösenden Spektren des Messobjekts 1 zusammen mit der Mess-Lichtquelle 2a durch das hochauflösende Spektrometer 3b möglich, ebenso wie eine Kanalcharakterisierung der Abbildungseinheit 3a durch die durchstimmbare Lichtquelle 2b. Hierzu kann der kontinuierliche Messbetrieb unterbrochen werden. Ferner können die zur Charakterisierung notwendigen, definierten Bedingungen geschaffen werden.
• Analog hierzu lassen sich bei einem Aufbau gemäß 2 die entsprechenden Charakteristika des Messobjekts 1, der Mess-Lichtquelle 2a und der Abbildungseinheit 3a in der Regel nur bei Unterbrechung der laufenden Messung bestimmen.
• Alternativ ist die Realisierung einer Vorrichtung möglich, bei der die Mess-Lichtquelle 2a durch eine durchstimmbare Quelle mit diskret emittierbaren Wellenlängenbereich realisiert ist. Dies ist im Ausführungsbeispiel gemäß 2 dargestellt. Als Lichtquelle 2a ist eine durchstimmbare Lichtquelle, z.B. ein ITLA-Modul, vorgesehen. Die Abbildungseinheit 3a ist durch einen breitbandigen Empfänger, z.B. eine Fotodiode, realisiert. Die Kanalcharakterisierung ergibt sich nun aus der Vermessung einzelner Kanäle der Lichtquelle 2a im hochauflösenden Spektrometer 3b, welches mit dem Koppelelement 4a gekoppelt ist. Die Aufnahme des hochauflösenden Spektrums des Messobjekts 1 in Verbindung mit dem der Abbildungseinheit 3a erfolgt mit Hilfe der durchstimmbaren Lichtquelle 2b und der breitbandigen Abbildungseinheit 3a. Die Anwendung des weiteren Verfahrens sowie die denkbaren Folgecharakterisierungen erfolgen im Betrieb analog zur vorhergehenden Beschreibung.
• Das beschriebene Verfahren lässt sich in der optischen Messtechnik, z.B. bei der Verwendung optischer Dehnungsmessstreifen, dem sog. 3D-Shape-Sensing oder bei den sog. „Wearable Sensors“ nutzen. Darüber hinaus kann das Verfahren Anwendung finden bei der Strukturüberwachung von Bauwerken, wie z.B. Brücken, Windkrafträdern, Flugzeugtragflächen und Kunsteinrichtungen.
• Bezugszeichenliste

1

Messobjekt

2a

Mess-Lichtquelle

2b

durchstimmbare Lichtquelle

3a

erste Abbildungseinheit

3b

zweite Abbildungseinheit

N

Anzahl an Kanälen

ωn

Funktion der gemessenen Lichtintensität

λ

Wellenlänge

f(λ)

Referenzspektrum

λM

skalare Messgröße

λM,0

skalare Messgröße des Referenzspektrums

σ0[n]

Referenzprofil, das dem Referenzspektrum zugeordnet ist

σk[n]

Referenzprofil k aus dem Profilsatz

I

Intensität

MV

Messwert

RI

reflektierte Lichtintensität

BFP

bestmögliches Referenzprofil

RP

Referenzprofile

Claims (16)

1. Verfahren zur Bestimmung spektraler Charakteristika eines optischen Signals eines Messobjekts (1) mithilfe einer Auswertungsvorrichtung mit diskreter Abbildungsfunktion, wobei die Auswertungsvorrichtung eine erste Lichtquelle (2a) und eine erste Abbildungseinheit (3a) umfasst, bei dem a) für eine Anzahl (N) an Kanälen eine jeweilige Funktion (ω_n) einer Lichtintensität über die Wellenlänge (λ) bereitgestellt wird, die zusammen eine Kanalcharakteristik der ersten Abbildungseinheit (3a) bilden; b) ein Referenzspektrum (f(λ)) des Messobjekts (1) mit einer zweiten, hochauflösenden Abbildungseinheit (3b) ermittelt wird, aus dem zumindest eine im Weiteren zu erfassende skalare Messgröße (λ_M) ermittelt wird; c) aus der Kanalcharakteristik und dem Referenzspektrum (f(λ)) für zumindest einen Teil der Anzahl (N) der Kanäle ein jeweiliges Referenzprofil (σ₀[n]) erzeugt wird; d) aus einer vorgegebenen Veränderung des Referenzspektrums (f(λ)) und den durch mehrmalige Wiederholung von Schritt c) gewonnenen Referenzprofilen (σ_k[n]) ein Profilsatz an Referenzprofilen (σ_k[n]) ermittelt wird; e) eine Vermessung des Messobjekts (1) durchgeführt wird, indem das Messobjekt (1) durch die erste Lichtquelle (2a) bestrahlt wird und ein von dem Messobjekt (1) reflektiertes optisches Signal durch die erste Abbildungseinheit (3a) empfangen wird und Messwerte vermittelt werden; f) die skalare Messgröße (λ_M) der spektralen Form des optischen Signals aus einem Ähnlichkeitsvergleich der in Schritt e) ermittelten Messwerte mit den Referenzprofilen (σ_k[n]) des Profilsatzes ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung der Kanalcharakteristik eine Vermessung der ersten Abbildungseinheit (3a) über einen vorgegebenen Wellenlängenverlauf durchgeführt wird, wobei aus der Messung für die Anzahl (N) an Kanälen die jeweilige Funktion (ω_n) der gemessenen Lichtintensität über die Wellenlänge (λ) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vermessens der ersten Abbildungseinheit (3a) bei vorgegebenen Umgebungsbedingungen durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vermessen der ersten Abbildungseinheit (3a) die erste Abbildungseinheit (3a) von einer zweiten Lichtquelle (2b) bestrahlt wird, wobei die zweite Lichtquelle (2b) eine durchstimmbare Lichtquelle ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Referenzspektrums (f(λ)) des Messobjekts (1) mit der zweiten Lichtquelle (2b) erfolgt, die als durchstimmbare Lichtquelle ausgebildet ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Referenzspektrums das Messobjekt durch eine Vorrichtung auf einen oder mehrere vorgegebene Umgebungsparameter und/oder zu erfassende Messzustände einstellbar ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Messzustand eine Temperatur und/oder eine Dehnung und/oder ein Moment eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des jeweiligen Referenzprofils (σ₀[n]) für jeden Kanal der Teilanzahl der Kanäle das Referenzspektrum (f(λ)) und die für den jeweiligen Kanal ermittelte Funktion (ω_n) der gemessenen Lichtintensität multipliziert und integriert werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Referenzprofile des Profilsatzes (σ_k[n]) Schritt c) wiederholt wird, wobei für jede Wiederholung als Referenzspektrum (f(λ)) das in der Wellenlänge um k verschobene Referenzspektrum (f(λ)) verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Referenzprofile des Profilsatzes (σ_k[n]) Schritt b) unter verschiedenen Bedingungen wiederholt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Profilsatzes die Teilanzahl der Anzahl (N) der Kanäle in Abhängigkeit einer gewünschten Auflösung oder einer zu erwartenden Änderung der skalaren Messgröße (λ_M,0) über einen späteren Messverlauf oder der spektralen Eigenschaften des Referenzspektrums gewählt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der skalaren Messgröße durch eine Korrelation erfolgt gemäß: λ_M = λ_M,0 + arg max_k Σx[n]σ_k[n], wobei x[n] = ∫ƒ(λ)ω_n(n-λ)dλ ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der skalaren Messgröße durch Minimierung einer Kostenfunktion erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Profilsatzes (σ_k[n]) einmalig erfolgt und der Profilsatz in einem Speicher der Auswertungsvorrichtung hinterlegt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Profilsatzes (σ_k[n]) zur Laufzeit erfolgt.
16. Vorrichtung zur Bestimmung spektraler Charakteristika eines optischen Signals eines Messobjekts (1), umfassend eine Auswertungsvorrichtung mit diskreter Abbildungsfunktion, wobei die Auswertungsvorrichtung zumindest eine erste Lichtquelle (2a), eine erste Abbildungseinheit (3a) und eine zweite, hochauflösende Abbildungseinheit (3b) umfasst, und zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.

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