DE602004005713T2

DE602004005713T2 - Filterkalkulation für sensorarray-induzierten phasenwinkel unabhängig von dem demodulations-phasenoffset des phasengenerierten trägers

Info

Publication number: DE602004005713T2
Application number: DE602004005713T
Authority: DE
Inventors: David B. La Crescenta Hall
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2024-06-18
Also published as: DE602004005713D1; WO2005010465A3; JP2007527647A; NO20060634L; AU2004260029A1; US7038785B2; EP1642091A2; EP1642091B1; WO2005010465A2; US20050007597A1; CA2533272A1; JP4860467B2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft allgemein die Signalverarbeitung und spezieller die Demodulation von Signalen von faseroptischen Sensorarrays.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Faseroptische Sensorarrays eines zeitgemultiplexten (Time Division Multiplexed, "TDM") Systems werden oft verwendet, um eine Änderung eines Parameters zu messen, zum Beispiel akustische Schwingungen, Schwankungen eines Fluiddruckes, Beschleunigung und magnetische Feldstärke. Das faseroptische Sensorarray verwendet einen phasengenerierten Träger mit einer Periode T, um die Änderung des Parameters mit einer gegebenen Abtastfrequenz zu messen. Das faseroptische Sensorarray wandelt einen mit dem Parameter verknüpften Phasenwinkel in eine Amplitudenänderung bei einem Ausgangsimpuls von Licht um.
Der Phasenwinkel wird durch verschiedene Verfahren zur Demodulation des Ausgangsimpulses gemessen. Typische Demodulationsverfahren verwenden eine Quadraturkomponente Q und eine In-Phase-Komponente I des Ausgangsimpulses. Die Quadraturkomponente Q entspricht einem Sinus des Phasenwinkels, und die In-Phase-Komponente I entspricht einem Kosinus des Phasenwinkels. Ein Arcustangens des Verhältnisses Q/I ist gleich dem Phasenwinkel. Der Betrag der Änderung des Parameters kann dann aus der Änderung des Phasenwinkels berechnet werden.
Eine Berechnung der Quadraturkomponente Q und der In-Phase-Komponente I erfordert mehrere Samples des Ausgangsimpulses in spezifischen Intervallen des phasengenerierten Trägers. Der Ausgangsimpuls wird gefiltert, um Eigenschaften des Ausgangsimpulses zu verbessern. Eine Periode des phasengenerierten Trägers ist wesentlich länger als eine Periode des Ausgangsimpulses. Die längere Periode des phasengenerierten Trägers erfordert, dass die Samples sich über mehrere Ausgangsimpulse erstrecken, um jedes erforderliche Intervall des impulsgenerierten Trägers zu erhalten. Die längere Periode des phasengenerierten Trägers verringert die Abtastfrequenz des Demodulationsverfahrens.
Schnelle phasengenerierte Träger (z.B. Frequenz größer als 1 MHz, oder eine Periode von wenigstens als 1000 Nanosekunden) ermöglichen keine präzise Steuerung eines Demodulations-Phasenoffsets β, der mit dem phasengenerierten Träger verknüpft ist. Ein Nachteil der Demodulationsverfahren ist, dass eine Schwankung des Demodulations-Phasenoffsets β bezüglich eines festen Wertes die Genauigkeit der Demodulationsverfahren verringert.
Ein Beispiel eines zehn Elemente umfassenden interferometrischen faseroptischen Sensoranays, das auf einem Leiternetzwerk von Mach-Zehnder-Sensoren basiert, wird von Kersey und Dandridge in "Multiplexed Mach-Zehnder Ladder Array with Ten Sensor Elements", Electronics Letters, Bd. 25, Nr. 19, 14. September 1989, beschrieben. Ein Verfahren zur Unterdrückung des Phasenrauschens wird von Kersey und Berkoff in "Novel Passive Phase Noise Canceling Technique for Interferometric Fibre Optic Sensors", Electronics Letters, Bd. 26, Nr. 10, 10. Mai 1990, beschrieben. Hall (US-Patentschrift Nr. 6,122,057 offenbart ein Verfahren zur Phasenwinkel-Demodulation in vier Schritten für ein Signal, das von einem interferometrischen Sensorarray ausgegeben wird.
Somit besteht Bedarf an einer verringerten Abhängigkeit von Demodulations-Phasenoffsets für Demodulationsverfahren von faseroptischen Sensoranays, welche phasengenerierte Träger und Filter verwenden.
Die Erfindung stellt ein Verfahren, eine Vorrichtung und einen Artikel bereit, wie in den Ansprüchen 1, 6 und 16 definiert.
Die Erfindung beinhaltet in einer Ausführungsform ein Verfahren. Ein Sensorarray verwendet einen Parameter, um einen zeitvariablen Phasenwinkel φ auf einem optischen Signal zu induzieren, welches einen phasengenerierten Träger mit einem Demodulations-Phasenoffset β umfasst. Ein Ausgangssignal von dem Sensorarray wird gefiltert, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen. Der Phasenwinkel φ wird unabhängig von dem Demodulations-Phasenoffset β durch Verwendung des gefilterten Signals berechnet.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung. Ein Sensorarray verwendet einen Parameter, um einen zeitvariablen Phasenwinkel φ auf einem optischen Signal zu induzieren, welches einen phasengenerierten Träger mit einem Demodulations-Phasenoffset β umfasst. Die Vorrichtung umfasst eine Filterkomponente, welche ein Ausgangssignal von dem Sensorarray filtert, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Prozessorkomponente, welche das gefilterte Signal verwendet, um den Phasenwinkel φ unabhängig von dem Demodulations-Phasenoffset β zu berechnen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet einen Artikel. Ein Sensorarray verwendet einen Parameter, um einen zeitvariablen Phasenwinkel φ auf einem optischen Signal zu induzieren, welches einen phasengenerierten Träger mit einem Demodulations-Phasenoffset β umfasst. Der Artikel weist ein oder mehrere computerlesbare signaltragende Medien auf. Der Artikel weist Mittel in dem einen oder den mehreren Medien zum Filtern eines Ausgangssignals von dem Sensorarray, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen, auf. Der Artikel weist Mittel in dem einen oder den mehreren Medien zum Berechnen des Phasenwinkels φ unabhängig von dem Demodulations-Phasenoffset β durch Verwendung des gefilterten Signals auf.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale von beispielhaften Implementierungen der Erfindung werden aus der Beschreibung, den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei:
1 eine Darstellung einer beispielhaften Implementierung einer Vorrichtung ist, welche einen oder mehrere Laser, einen oder mehrere Optoschalter, einen oder mehrere Phasenmodulatoren, ein oder mehrere Sensoranays, einen oder mehrere optische Empfänger, eine oder mehrere Filterkomponenten und eine oder mehrere Prozessorkomponenten zum Berechnen eines Phasenwinkels eines optischen Signals unabhängig von einem Demodulations-Phasenoffset β umfasst;
2 eine Darstellung eines beispielhaften Diagramms eines oder mehrerer Interferenzimpulse für die beispielhafte Implementierung von 1 ist;
3 eine Darstellung einer beispielhaften Menge von Berechnungen für die beispielhafte Implementierung von 1 ist;
4 eine Darstellung einer anderen beispielhaften Menge von Berechnungen für die beispielhafte Implementierung von 1 ist;
5 eine Darstellung einer Amplitudenantwort eines Bessel-Tiefpassfilters vierter Ordnung als eine beispielhafte Filterkomponente der Vorrichtung von 1 ist;
6 eine Darstellung einer Impulsantwort der beispielhaften Implementierung von 1 mit der beispielhaften Filterkomponente von 5 ist;
7 eine Darstellung eines beispielhaften Eingangssignals und des entsprechenden Ausgangssignals der Filterkomponente von 5 ist;
8 eine vergrößerte Ansicht des Ausgangssignals von 7 ist;
9 ein beispielhaftes gefiltertes Signal von der Filterkomponente von 5 eines beispielhaften phasengenerierten Trägers und des Ausgangssignals von 7 ist;
10 ein beispielhaftes Verhältnis R_s der Filterkomponente von 5 als eine Funktion des Demodulations-Phasenoffsets ist;
11 ein beispielhaftes Verhältnis R_s der Filterkomponente von 5 als eine Funktion der Modulationstiefe ist;
12 ein Diagramm eines Spitzenweres eines beispielhaften Quadraturterms und eines Spitzenwertes eines beispielhaften In-Phase-Terms von der Filterkomponente von 5 als eine Funktion des Demodulations-Phasenoffsets ist;
13 ein Diagramm einer beispielhaften Genauigkeit Δφ der Berechnung des Phasenwinkels durch die Vorrichtung von 1 mit der Filterkomponente von 5 als eine Funktion des Demodulations-Phasenoffsets ist;
14 ein Diagramm einer beispielhaften Genauigkeit Δφ der Berechnung des Phasenwinkels durch die Vorrichtung von 1 mit der Filterkomponente von 5 als eine Funktion des Phasenwinkels φ ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird 1 betrachtet; eine Vorrichtung 100 umfasst in einem Beispiel mehrere Komponenten wie etwa Computersoftware- und/oder Hardwarekomponenten. Eine Anzahl solcher Komponenten kann in der Vorrichtung 100 kombiniert oder aufgeteilt sein. Eine beispielhafte Komponente der Vorrichtung 100 verwendet und/oder umfasst eine Menge und/oder Reihe von Computeranweisungen, die in oder mit irgendeiner von einer Anzahl von Programmiersprachen geschrieben oder implementiert sind, wie für Fachleute klar ist.
Es wird auf 1 Bezug genommen; die Vorrichtung 100 umfasst in einem Beispiel einen oder mehrere Laser 102, einen oder mehrere Optoschalter 104, einen oder mehrere Phasenmodulatoren 106, ein oder mehrere Sensorarrays 108, einen oder mehrere optische Empfänger 110, eine oder mehrere Filterkomponenten 111 und eine oder mehrere Prozessorkomponenten 112. In einem Beispiel demoduliert die Vorrichtung 100 ein optisches Signal, um eine Änderung eines Parameters zu messen, wie hier beschrieben wird. Der Laser 102 umfasst in einem Beispiel einen Dauerstrichlaser. Der Laser 102 erzeugt und sendet ein optisches Signal über den Optoschalter 104 und den Phasenmodulator 106 zu dem Sensorarray 108.
Der Optoschalter 104 umfasst in einem Beispiel einen zeitgemultiplexten (Time Division Multiplexed, "TDM") Schalter. Der Optoschalter 104 tastet das optische Signal aus, derart, dass das optische Signal einen Strom von optischen Impulsen umfasst. Der Phasenmodulator 106 prägt einen phasengenerierten Träger (Phase Generated Carrier, "PGC") 114 auf den Strom von optischen Impulsen auf. Zum Beispiel wirken der Laser 102, der optische Schalter 104 und der Phasenmodulator 106 zusammen, um einen oder mehrere optische Impulse 116 zu erzeugen, welche den phasengenerierten Träger 114 umfassen, wie für Fachleute klar ist. Der optische Impuls 116 weist eine Periode T_pulse auf. Die Periode T_pulse beträgt in einem Beispiel ungefähr zwischen 100 Nanosekunden und 1000 Nanosekunden. Der phasengenerierte Träger 114 weist in einem Beispiel eine Periode T_pgc und eine Modulationstiefe von M auf. Die Periode weist eine Beziehung zu einer Frequenz f_pgc = 1/T_pgc auf, wie für Fachleute klar ist. Die Frequenz f_pgc beträgt in einem Beispiel ungefähr zwischen 2 MHz und 20 MHz. Der phasengenerierte Träger 114 ist mit einem Demodulations-Phasenoffset β verknüpft. Der phasengenerierte Träger 114 erzeugt einen zeitvariablen Phasenwinkel, der gleich
ist.
Das Sensorarray 108 umfasst in einem Beispiel einen oder mehrere Sensoren 124, 126 und 128, zum Beispiel Interferometer mit fehlangepasster Weglänge (Mismatched Path Interferometers). Das Sensor 108 teilt den optischen Impuls 116 in einen oder mehrere optische Impulse 118, 120, 122, zum Beispiel einen Impuls pro Sensor. Die optischen Impulse 116, 118, 120 und 122 sind in einem Beispiel im Wesentlichen dieselben. Die Sensoren 124, 126 und 128 des Sensorarrays 108 empfangen die optischen Impulse 118, 120 bzw. 122. Die Sensoren 124, 126 und 128 des Sensorarrays 108 verwenden in einem Beispiel einen oder mehrere Parameter und die optischen Impulse 118, 120 und 122, um einen oder mehrere jeweilige Interferenzimpulse 130, 132 und 134 zu erzeugen. Zu den beispielhaften Parametern gehören akustische Schwingungen, Schwankungen eines Fluiddruckes, Beschleunigung und magnetische Feldstärke. Zum Beispiel teilt der Sensor 124 den optischen Impuls 118 in einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt. Der Sensor 124 verwendet den Parameter, um einen zeitvariablen Phasenwinkel φ auf dem ersten Abschnitt des optischen Impulses 118 bezüglich des zweiten Abschnitts des optischen Impulses 118 zu induzieren. Der Sensor 124 rekombiniert den ersten Abschritt des optischen Impulses 118 mit dem zweiten Abschnitt des optischen Impulses 124, um den Interferenz-Impuls 130 zu erzeugen. Eine zeitvariable Amplitudenänderung des Interferenz-Impulses 130 repräsentiert den zeitvariablen Phasenwinkel φ zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt des optischen Impulses 118.
Die optischen Impulse 116 weisen einen Zwischenabstand auf, derart, dass die Interferenz-Impulse 130, 132 und 134 einen relativ kleinen Abstand aufweisen, zum Beispiel ein hohes Tastverhältnis, wie hier beschrieben. Die Interferenz-Impulse 130, 132 und 134 weisen eine Periode auf, die im Wesentlichen gleich der Periode T_pulse des optischen Impulses 116 ist. Das Sensorarray 108 sendet die Interferenz-Impulse 130, 132 und 134 zu dem optischen Empfänger 110 in einer Impulsfolge 136, zum Beispiel auf eine serielle Weise. Zum Beispiel umfasst die optische Impulsfolge 136 die Interferenz-Impulse 130, 132 und 134.
Der optische Empfänger 110 umfasst in einem Beispiel eine oder mehrere Fotodioden 138. In einem weiteren Beispiel umfasst der optische Empfänger 110 einen Transimpedanzverstärker 140. Der optische Empfänger 110 umfasst in einem Beispiel ein Polarisationsdiversity-Empfängersystem (nicht dargestellt), wie im US-Patent Nr. 5,852,507 definiert, das an den Zessionar der vorliegenden Erfindung abgetreten wurde. Der optische Empfänger 110 empfängt die optische Impulsfolge 136. Der optische Empfänger 110 erzeugt danach ein oder mehrere entsprechende analoge elektrische Signale, welche die Interferenz-Impulse 130, 132 und 134 aus der optischen Impulsfolge 136 repräsentieren. Zum Beispiel wandelt der optische Empfänger 110 einen Betrag einer Leistung der optischen Impulsfolge 136 in ein Spannungssignal um.
Die Filterkomponente 111 umfasst in einem Beispiel ein Bessel-Tiefpassfilter vierter Ordnung. In einem anderen Beispiel umfasst die Filterkomponente 111 ein Filter mit reellem Pol (Real Pole Filter) vierter Ordnung. Zum Beispiel umfasst die Filterkomponente 111 eine Drei-Dezibel-Roll-off-Frequenz zwischen 10 MHz und 60 MHz. Die Drei-Dezibel-Roll-off-Frequenz der Filterkomponente 111 beträgt in einem Beispiel 53 MHz. Die Filterkomponente dient dazu, das optische Signal zu filtern, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen. Die Filterkomponente 111 filtert in einem Beispiel die analogen elektrischen Signale von dem optischen Empfänger 110, um ein oder mehrere gefilterte Signale zu erzeugen. Zum Beispiel repräsentieren die gefilterten Signale die Interferenzsignale 130, 132 und 134.
Die Prozessorkomponente 112 umfasst in einem Beispiel einen digitalen Signalprozessor. In einem weiteren Beispiel umfasst die Prozessorkomponente 112 eine Analog-Digital-Wandler-Komponente 142. Die Prozessorkomponente 112 umfasst in einem Beispiel ein Exemplar eines computerlesbaren signaltragenden Mediums 144, wie hier beschrieben. Die Analog-Digital-Wandler-Komponente 142 wandelt das gefilterte Signal von dem optischen Empfänger 110 in ein digitales Signal um. Die Prozessorkomponente 112 dient in einem Beispiel dazu, eine Änderung in den Parametern durch Verwendung der zeitvariablen Amplitudenänderung der Interferenz-Impulse 130, 132 und 134 zu erkennen, um den zeitvariablen Phasenwinkel φ zu berechnen.
Zu Zwecken der Erläuterung wird eine illustrative Beschreibung einer beispielhaften Funktionsweise der Vorrichtung 100 gegeben. Der Laser 102, der optische Schalter 104 und der Phasenmodulator 106 wirken zusammen, um den einen oder die mehreren optischen Impulse 116 zu erzeugen. Das Sensorarray 108 teilt den optischen Impuls 116 in die optischen Impulse 118, 120 und 122. Die Sensoren 124, 126 und 128 verwenden die Parameter und die optischen Impulse 118, 120 und 122, um die Interferenz-Impulse 130, 132 und 134 zu erzeugen. Das Sensorarray 108 sendet die Interferenz-Impulse 130, 132 und 134 als die optische Impulsfolge 136 zu dem optischen Empfänger 110.
Der optische Empfänger 110 erzeugt ein analoges elektrisches Signal, welches den einen oder die mehreren Interferenz-Impulse 130, 132 und 134 repräsentiert. Zum Beispiel ist das analoge elektrische Signal definiert als s(t, M, β, φ):
wobei A ein mittlerer Signalpegel ist, B ein Interferenzterm-Signalpegel ist, M die Modulationstiefe ist, T_pgc eine Periode des phasengenerierten Trägers ist, β der Demodulations-Phasenoffset ist und φ der zeitvariable Phasenwinkel ist. Der Phasenwinkel von s(t, M, β, φ) umfasst einen ersten Anteil, der auf den phasengenerierten Träger zurückzuführen ist,
und einen zweiten Anteil φ, der auf den Parameter zurückzuführen ist, wie für Fachleute klar ist.
Die Filterkomponente 111 filtert das analoge elektrische Signal, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen. Die Analog-Digital-Wandler-Komponente 142 wandelt in einem Beispiel das gefilterte Signal in ein digitales Signal um, welches den Interferenz-Impuls 130 repräsentiert. Die Prozessorkomponente 112 erhält mehrere Samples S_n, n = 0 bis x, des Interferenz-Impulses 130 aus dem digitalen Signal. Die Prozessorkomponente 112 erhält die mehreren Samples S_n in Zeitintervallen Δt im Verlaufe einer Periode T_s. Die Periode T_s ist in einem Beispiel im Wesentlichen gleich der Periode T_pgc des phasengenerierten Trägers 114. Die Periode T_s dient in einem Beispiel dazu, eine Erhöhung der Abtastfrequenz zu unterstützen, wie für Fachleute klar ist. Die Periode T_s ist in einem Beispiel kleiner oder gleich T_puls _e.
Das Zeitintervall Δt ist in einem Beispiel gleich einem geraden Bruchteil der Periode T_pgc (z.B. T_pgc/8 oder T_pgc/16). In einem Beispiel erhält die Prozessorkomponente 112 die mehreren Samples S_n beginnend bei einem Zeitpunkt t₀, mit einem Zeitintervall Δt von T_pgc/8. Zum Beispiel umfassen die mehreren Samples S_n acht Samples bei t₀, t₀ + Δt, t₀ + 2Δt, t₀ + 3Δt, t₀ + 4Δt, t₀ + 5Δt, t₀ + 6Δt und t₀ + 7Δt. In einem anderen Beispiel erhält die Prozessorkomponente 112 die mehreren Samples S_n beginnend bei einem Zeitpunkt t₀, mit einem Zeitintervall Δt von T_pgc/16. Zum Beispiel umfassen die mehreren Samples S_n sechzehn Samples bei t₀, t₀ + Δt, t₀ + 2Δt, t₀ + 3Δt, t₀ + 4Δt, t₀ + 5Δt, t₀ + 6Δt, t₀ + 7Δt, t₀ + 8Δt, t₀ + 9Δt, t₀ + 10Δt, t₀ + 11 Δt, t₀ + 12Δt, t₀ + 13Δt, t₀ + 14Δt und t₀ + 15Δt.
Die Prozessorkomponente 112 verwendet eines oder mehrere der mehreren Samples S_n, um einen oder mehrere Quadraturterme und einen oder mehrere In-Phase-Terme zu berechnen. Die Prozessorkomponente 112 berechnet in einem Beispiel eine Menge von Quadraturtermen Q_j, j = 0 bis y. Zum Beispiel umfasst die Menge von Quadraturtermen Q_j eine Anzahl von Quadraturtermen, die gleich der halben Anzahl der Samples ist, die zu den mehreren Samples S_n gehören. In einem Beispiel, 111 dem die mehreren Samples S_n acht Samples umfassen, ist y gleich drei, und die Prozessorkomponente 112 berechnet die Menge von Quadraturtermen Q_j als:
Q₀ = S₀ – S₄, Q₁ = S₁ – S₅, Q₂ = S₂ – S₆ und Q₃ = S₃ – S₇ (3).
In einem anderen Beispiel, in dem die mehreren Samples S_n sechzehn Samples umfassen, ist y gleich sieben, und die Prozessorkomponente 112 berechnet die Menge von Quadraturtermen Q_j als:
Q₀ = S₀ – S₈, Q₁ = S₁ – S₉, Q₂ = S₂ – S₁₀, Q₃ = S₃ – S₁₁,
Q₄ = S₄ – S₁₂, Q₅ = S₅ – S₁₃, Q₆ = S₆ – S₁₄ und Q₇ = S₇ – S₁₅ (4).
Die Prozessorkomponente 112 berechnet in einem Beispiel eine Menge von In-Phase-Termen I_k, k = 0 bis z. Zum Beispiel umfasst die Menge von In-Phase-Termen I_k eine Anzahl von In-Phase-Termen, die gleich ¼ der Anzahl der Samples ist, die zu den mehreren Samples S_n gehören. In einem Beispiel, in dem die mehreren Samples S_n acht Samples umfassen, ist z gleich eins, und die Prozessorkomponente 112 berechnet die Menge von In-Phase-Termen I_k als:
I₀ = (S₀ + S₄) – (S₂ + S₆), und
I₁ = (S₁ + S₅) – (S₃ + S₇) (3).
In einem anderen Beispiel, in dem die mehreren Samples S_n sechzehn Samples umfassen, ist z gleich drei, und die Prozessorkomponente 112 berechnet die Menge von In-Phase-Termen I_k als:
I₀ = (S₀ + S₈) – (S₄ + S₁₂), I₁ = (S₁ + S₉) – (S₅ + S₁₃),
I₂ = (S₂ + S₁₀) – (S₆ + S₁₄) und I₃ = (S₃ + S₁₁) – (S₇ + S₁₅)(4).
Die Prozessorkomponente 112 verwendet die Menge von Quadraturtermen Q_j, um einen Quadraturterm Q_s zu berechnen. Die Prozessorkomponente 112 berechnet in einem Beispiel den
Der Quadraturterm Q_s ist unabhängig vom Demodulations-Phasenoffsets β, wie für Fachleute klar ist.
Die Prozessorkomponente 112 verwendet die Menge von In-Phase-Termen I_k, um einen In-Phase-Term I_s zu berechnen. Die Prozessorkomponente 112 berechnet eine Konstante C₁, wie hier beschrieben. Die Prozessorkomponente 112 berechnet in einem Beispiel den In-Phase-Term I_s als:
Der In-Phase-Term I_s ist unabhängig vom Demodulations-Phasenoffsets β, wie für Fachleute klar ist. Die Prozessorkomponente 112 berechnet in einem Beispiel die Konstante C₁ derart, dass die jeweiligen absoluten Beträge des Quadraturterms Q_s und des In-Phase-Terms I_s bei einer Modulationstiefe M eines Operationsbereiches im Wesentlichen gleich sind.
Die Modulationstiefe M beträgt in einem Beispiel zwischen 1,0 und 1,7 Radian. Zum Beispiel ist die Modulationstiefe M genügend groß, um eine Erhöhung der Signalstärke des phasengenerierten Trägers 114 zu fördern. Die Modulationstiefe M ist in einem weiteren Beispiel genügend klein, im die Stabilität des Quadraturterms Q_s und des In-Phase-Terms I_s bezüglich einer Änderung der Modulationstiefe M zu fördern. Zum Beispiel ist die Modulationstiefe M ungefähr gleich π/2.
Die Prozessorkomponente 112 verwendet die Menge von Quadraturtermen Q_j und/oder den Quadraturterm Q_s, um einen Quadraturterm Q zu berechnen. Die Prozessorkomponente 112 verwendet in einem Beispiel einen Betrag des Quadraturterms Q_s und ein Vorzeichen eines der Quadraturterme aus der Menge von Quadraturtermen Q_j, um Q zu berechnen. Zum Beispiel wählt die Prozessorkomponente 112 den Quadraturterm Q₁, welcher einen relativ großen Betrag aufweist, um einen Nulldurchgang des Betrages zu vermeiden. Die Prozessorkomponente 112 wählt einen anderen Quadraturterm mit einem größeren Betrag, zum Beispiel den Quadraturterm Q₀, wenn sich der Betrag des Quadraturterms Q₁ null nähert. Der Quadraturterm Q ist unabhängig vom Demodulations-Phasenoffsets β, wie für Fachleute klar ist.
Die Prozessorkomponente 112 verwendet die Menge von In-Phase-Termen I_k und/oder den In-Phase-Term I_s, um einen In-Phase-Term I zu berechnen. Die Prozessorkomponente 112 verwendet in einem Beispiel einen Betrag des In-Phase-Terms I_s und ein Vorzeichen eines der In-Phase-Terme aus der Menge von In-Phase-Termen I_s, um I zu berechnen. Zum Beispiel wählt die Prozessorkomponente 112 einen In-Phase-Term I₁, welcher einen relativ großen Betrag aufweist, um einen Nulldurchgang des Betrages zu vermeiden. Die Prozessorkomponente 112 wählt einen anderen In-Phase-Term mit einem größeren Betrag, zum Beispiel den In-Phase-Term I₀, wenn sich der Betrag des In-Phase-Terms I₁ null nähert. Der In-Phase-Term I ist unabhängig vom Demodulations-Phasenoffsets β, wie für Fachleute klar ist.
Eine Änderung des Demodulations-Phasenoffsets β bewirkt in einem Beispiel eine Änderung des Vorzeichens des Quadraturterms Q und/oder des In-Phase-Terms I. In einem Beispiel existieren für den Demodulations-Phasenoffset β vier Operationsbänder mit einer Breite von π/2 über einem Gesamtbereich von 0 bis 2π. In Fällen, in denen der Betrag des Demodulations-Phasenoffsets β in der Nähe eines Randes eines Operationsbandes liegt, kann sich der Betrag des In-Phase-Terms I_k, der gewählt wird, um das Vorzeichen von I zu bestimmen, und/oder der Betrag des Quadraturterms Q_j, der gewählt wird, um das Vorzeichen von Q zu bestimmen, null nähern. Wenn sich der Betrag des In-Phase-Terms I_k, der gewählt wird, um das Vorzeichen von I zu bestimmen, und/oder der Betrag des Quadraturterms Q_j, der gewählt wird, um das Vorzeichen von Q zu bestimmen, null nähert, wählt die Prozessorkomponente 112 einen anderen Quadraturterm Q_j und/oder In-Phase-Term I_k. Die Prozessorkomponente 112 wählt einen anderen Quadraturterm Q_j und/oder In-Phase-Term I_k, um die Berechnung des Phasenwinkels φ unabhängig vom Demodulations-Phasenoffset β zu unterstützen. Der Phasenmodulator 106 hält in einem Beispiel den Demodulations-Phasenoffset β innerhalb eines Bereiches, der wesentlich kleiner ist als π/2; daher braucht der Demodulations-Phasenoffset β nicht bekannt zu sein, wie für Fachleute klar ist.
Die Prozessorkomponente 112 verwendet den Quadraturterm Q und den In-Phase-Term I, um den Phasenwinkel φ unabhängig vom Demodulations-Phasenoffset β zu berechnen. Da der Quadraturterm Q und der In-Phase-Term I unabhängig vom Demodulations-Phasenoffset β sind, ist die Berechnung des Phasenwinkels φ unabhängig vom Demodulations-Phasenoffset β. Die Prozessorkomponente 112 berechnet in einem Beispiel den Phasenwinkel:
φ = arctan (Q/I).
Die Prozessorkomponente 112 verwendet in einem Beispiel die Änderung des Phasenwinkels φ zwischen mehreren Instanzen der Interferenz-Impulse 130, 132 und 134, um die Änderung in den Parametern zu bestimmen, die von den Sensoren 124, 126 und 128 verwendet werden.
Es wird auf 2 Bezug genommen; das Diagramm 202 umfasst eine beispielhafte Darstellung der Interferenz-Impulse 130, 132 und 134 und entsprechende Abtastzeiten für die Prozessorkomponente 112 bezüglich der Zeit t. Die Interferenz-Impulse 130, 132 und 134 werden durch das analoge elektrische Signal s(t, M, β, φ) repräsentiert. Die Quadratur- und In-Phase-Komponenten der Interferenz-Impulse werden durch s(t, M, β, π/2) bzw. s(t, M, β, 0) repräsentiert. Ein oder mehrere Rechteckimpulse 230, 232 und 234 repräsentieren die Periode T_pul _se der Interferenz-Impulse 130, 132 bzw. 134. Die Rechteckimpulse 230, 232 und 234 weisen eine Pausenperiode T_space auf. Die Rechteckimpulse 230, 232 und 234 weisen in einem Beispiel ein hohes Tastverhältnis auf zum Beispiel ist die Abtastperiode T_s wesentlich länger als die Pausenperiode T_space.
Die Prozessorkomponente 112 erhält in einem Beispiel acht Samples von den jeweiligen Interferenz-Impulsen 130, 132 und 134. Die Prozessorkomponente 112 erhält in einem Beispiel die Samples mit einer konstanten Frequenz während der Periode T_s. Zum Beispiel erhält die Prozessorkomponente 112 acht Samples S₀ bis S₇ für den Interferenz-Impuls 130, verwirft die nächsten drei Samples S_discard, erhält die nächsten acht Samples S₀ bis S₇ für den Interferenz-Impuls 132, verwirft die nächsten drei Samples S_discard, und so weiter.
Es wird auf 3 Bezug genommen; ein Diagramm 302 umfasst eine Darstellung einer Menge von Berechnungen für die Quadraturterme Q_j und die In-Phase-Terme I_k für acht Samples des Interferenz-Impulses 130. Wenn acht Samples genommen werden, ist x = 7, y = 3 und z = 1. Die Prozessorkomponente 112 berechnet einen gegebenen Term durch Addieren und Subtrahieren mehrerer der Samples Sn in einer jeweiligen Zeile des gegebenen Terms. Die Prozessorkomponente 112 addiert oder subtrahiert ein Sample entsprechend einem Vorzeichen, das in dem Zeilen-/Spalten-Paar für den gegebenen Term und das Sample angegeben ist. Falls für ein Sample kein Vorzeichen angegeben ist, wird das Sample für den gegebenen Term nicht verwendet. Zum Beispiel berechnet die Prozessorkomponente 112 Q₀ als + S₀ – S₄, Q₂ als +S₂ – S6 und I₀ als + S₀ – S₂ + S₄ – S₆.
Es wird auf 4 Bezug genommen; ein Diagramm 402 umfasst eine Darstellung einer Menge von Berechnungen für die Quadraturterme Q_j und die In-Phase-Terme I_k für sechzehn Samples des Interferenz-Impulses 130. Wenn sechzehn Samples genommen werden, ist x = 15, y = 7 und z = 3. Zum Beispiel berechnet die Prozessorkomponente 112 Q₀ als + S₀ – S₈, Q₁ als + S₂ – S₉ und I₀ als + S₀ – S₄ + S₈ – S₁₂. Es wird auf 3 und 4 Bezug genommen; aus ihnen sind Muster der Vorzeichen "+" und "–" in einem Beispiel für die Quadraturterme Q_j bzw. die In-Phase-Terme I_k ersichtlich. Zum Beispiel können ähnliche Muster verwendet werden, um eine Menge von Quadraturtermen Q_j und von I_k für eine Menge von Samples mit einer anderen Anzahl von Samples zu berechnen.
Es wird auf 5–14 Bezug genommen; die Diagramme 502, 602, 702, 802, 902, 1002, 1102, 1202, 1302 und 1402 stellen beispielhafte Kennlinien der Filterkomponente 111 dar, wobei die Filterkomponente 111 ein Bessel-Tiefpassfilter vierter Ordnung umfasst, und beispielhafte Genauigkeits-Diagramme der Berechnung des Phasenwinkels φ durch die Vorrichtung von 1. Die Diagramme 502, 602, 702, 802, 902, 1002, 1102, 1202, 1302 und 1402 wurden unter Verwendung von MathCAD (Mathsoft Engineering & Education, Inc., Cambridge, MA 02142, http://www.mathcad.com) generiert. Das Diagramm 502 stellt eine Amplitudenantwort S_B(f) eines beispielhaften Bessel-Tiefpassfilters vierter Ordnung dar. Das Diagramm 602 stellt eine Amplitudenantwort b(t) der beispielhaften Filterkomponente 111 von 4 dar. Das Diagramm 702 stellt ein beispielhaftes Eingangssignal env(t) und das entsprechende Ausgangssignal ENV(t) der Filterkomponente 111 von 4 dar. Das Diagramm 802 stellt eine vergrößerte Ansicht des Ausgangssignals ENV(t) des Diagramms 702 dar. Das Diagramm 902 stellt ein beispielhaftes gefiltertes Signal S(t) eines beispiehaften phasengenerierten Trägers 114 mit dem Ausgangssignal ENV(t) des Diagramms 702 dar. Das Diagramm 1002 stellt ein beispielhaftes Verhältnis R_s als eine Funktion des Demodulations-Phasenoffsets β dar. Das Diagramm 1102 stellt das Verhältnis R_s des Diagramms 1002 als eine Funktion der Modulationstiefe M dar. Das Diagramm 1202 stellt einen Spitzenwert eines beispielhaften Quadraturterms Q₀ und einen Spitzenwert eines beispielhaften In-Phase-Terms I₁ als eine Funktion des Demodulations-Phasenoffsets β dar. Das Diagramm 1302 stellt eine beispielhafte Genauigkeit Δφ der Berechnung des Phasenwinkels φ als eine Funktion des Demodulations-Phasenoffsets β dar. Das Diagramm 1402 stellt eine beispielhafte Genauigkeit Δφ der Berechnung des Phasenwinkels φ als eine Funktion des Phasenwinkels φ dar.
Es wird auf 5 Bezug genommen; das Diagramm 502 zeigt eine beispielhafte Amplitudenantwort S_B(f) für die Filterkomponente 111. Eine komplexe Frequenzantwort der Filterkomponente 111, wobei die Filterkomponente 111 ein Bessel-Tiefpassfilter vierter Ordnung umfasst, ist gleich:
Der Drei-Dezibel-Roll-off- der Filterkomponente 111 ist gleich 2,114 f₀.
Es wird auf 6 Bezug genommen; das Diagramm 602 zeigt eine Impulsantwort b(t) der Filterkomponente 111. Die Impulsantwort b(t) ist gleich der Fouriertransformierten der Frequenzantwort B(f) der Filterkomponente 111. Die Impulsantwort b(t) ist gleich:
Das Diagramm 602 zeigt einen Realteil Re(b(t)) und einen mit 1000 multiplizierten Imaginärteil Im(b(t)) der Impulsantwort b(t). Das Diagramm 602 zeigt ferner den mit 10 multiplizierten Realteil Re(b(t)), um die Welligkeit an einer Abfallflanke des Realteils Re(b(t)) hervorzuheben. Der Imaginärteil Im(b(t)) ist gleich null, so dass die Impulsfunktion b(t) reell ist.
Es wird auf 7 Bezug genommen; das Diagramm 702 zeigt ein beispielhaftes Eingangssignal env(t) der Filterkomponente 111. Zum Beispiel repräsentiert das Eingangssignal env(t) das elektrische Signal von den Fotodetektor 110, welches das Ausgangssignal 130 repräsentiert. Das Ausgangssignal 130 ist in einem Beispiel ein oben abgeflachter Impuls mit einer Breite von 90 Nanosekunden und einer Anstieg- und einer Abfallzeit von einer Nanosekunde. Das Eingangssignal env(t) wird durch eine supergaußsche Hüllfunktion approximiert als:
Die Filterkomponente 111 erzeugt das gefilterte Signal, welches eine Faltung ENV(t) des Eingangssignals env(t) mit der Impulsfunktion b(t) darstellt. Eine Impulsfunktion bfit(t) wird verwendet, um die Impulsfunktion b(t) zu approximieren und dadurch die Berechnung von ENV(t) zu beschleunigen. Die Faltung ENV(t) ist gleich:
Die Faltung ENV(t) weist Welligkeiten an einer Anstiegflanke und einer Abfallflanke auf.
Es wird auf 8 Bezug genommen; das Diagramm 802 zeigt Hervorhebungen der Welligkeiten an der Anstiegflanke und der Abfallflanke der Faltung ENV(t) des Diagramms 702. Wie ersichtlich ist, weist die Faltung ENV(t) eine flache Zone ungefähr zwischen 30 Nanosekunden und 90 Nanosekunden auf. Die Prozessorkomponente 112 entnimmt die mehreren Samples S_n aus der flachen Zone.
Es wird auf 9 Bezug genommen; das Diagramm 902 zeigt einen gefilterten Ausgang S(t) des phasengenerierten Trägers 114 mit der Faltung ENV(t). Der phasengenerierte Träger 114 wird von dem Phasenmodulator 106 erzeugt und wird dargestellt durch s(t, M, β, φ):
wobei A ein mittlerer Signalpegel ist und B ein Interferenzterm-Signalpegel ist. Zum Beispiel ist A = 1,2, B = 1,0, M = 1,5. Der Wert von β ist beliebig, ist jedoch in 9 gleich 1,0 Radian. Der phasengenerierte Träger 114 wird dem Eingangssignal env(t) überlagert. Der gefilterte Ausgang S(t) ist gleich der Faltung des Produktes des Eingangssignals env(t) und von s(t) mit der Impulsfunktion bfit(t):
Es werden zwei Werte von φ verwendet, um die Quadratur- und die In-Phase-Komponente des gefilterten Ausgangs S(t, M, β, φ) zu zeigen. Zum Beispiel ist φ gleich 0 für die In-Phase-Komponente, und φ ist gleich π/2 für die Quadraturkomponente. Die In-Phase-Komponente weist eine zweite harmonische Frequenz von 40 MHz auf mit einer Periode von 25 Nanosekunden. Die Quadraturkomponente weist eine Grundfrequenz von 20 MHz auf, mit einer Periode von 50 Nanosekunden. Die Prozessorkomponente 112 erhält die mehreren Samples S_n während der Periode von 50 Nanosekunden und innerhalb der flachen Zone der Faltung ENV(t). Wenn zum Beispiel x = 7 ist, entnimmt die Prozessorkomponente 112 acht Samples in Intervallen von 6,25 Nanosekunden. Ein erstes Sample und ein letztes Sample von den acht Samples haben einen Abstand von 43,75 Nanosekunden voneinander. Die Prozessorkomponente 112 entnimmt das erste Sample zwischen 29 Nanosekunden und 45 Nanosekunden, um die mehreren Samples S_n innerhalb der flachen Zone zu erhalten.
Es wird auf 10 Bezug genommen; das Diagramm 1002 zeigt ein Verhältnis R_s als eine Funktion des Demodulations-Phasenoffsets β, wobei die Modulationstiefe M = 1,5 ist. Das Verhältnis R_s ist gleich:
Für eine Modulationstiefe M = 1,5 ist die Konstante C₁ ungefähr gleich 1,944. Das Verhältnis R_s wird berechnet, wenn Q_s und I_s einen Spitzenwert haben. Der Spitzenwert von Q_s wird bei φ = π/2 angenommen. Der Spitzenwert von I_s wird bei φ = 0 angenommen. 10 zeigt R_s, wobei M = 1,5 und β zwischen –n und +n. Die Abweichung von einem Verhältnis von eins für R_s beträgt ungefähr + 0,1 %.
Es wird auf 11 Bezug genommen; das Diagramm 1102 zeigt das Verhältnis R_s als eine Funktion der Modulationstiefe M für zwei Werte des Demodulations-Phasenoffsets β. 11 zeigt, dass Änderungen von β für einen gegebenen Wert von M das Verhältnis R_s nicht wesentlich ändern.
Es wird auf 12 Bezug genommen; das Diagramm 1202 zeigt einen Spitzenwert des Quadraturterms Q₀ und einen Spitzenwert des In-Phase-Terms I₁ als eine Funktion des Demodulations-Phasenoffsets β. Die Prozessorkomponente 112 berechnet das Vorzeichen des Quadraturterms Q, indem sie einen Quadraturterm aus der Menge von Quadraturtermen Q_j verwendet, zum Beispiel Q₀. Der Quadraturterm Q₀ ist zum Sinus des Phasenwinkels φ proportional. Die Prozessorkomponente 112 berechnet das Vorzeichen des In-Phase-Terms I, indem sie einen In-Phase-Term aus der Menge von In- Phase-Termen I_s verwendet, zum Beispiel I₁. Der In-Phase-Term I, ist zum Kosinus des Phasenwinkels φ proportional. Ein Spitzenwert für Q₀, wobei φ = π/2, und ein Spitzenwert für I₁, wobei φ = 0, sind in 12 als eine Funktion des Phasenoffsets β grafisch dargestellt. Es sind vier Zonen in β mit einer Breite von π/2, wo das Vorzeichen von Q₀ und das Vorzeichen von I₁ nicht wechseln, durch die Punkte festgelegt, in denen I₁ null durchquert. Die Prozessorkomponente 112 berechnet das Vorzeichen von Q und das Vorzeichen von I auf der Basis des Wertes von β für Q₀ und I₁. Zum Beispiel sind dort, wo β zwischen ungefähr 1,1 und 2,6 beträgt, sowohl Q₀ als auch I₁ positiv, so dass Q = +Q_s und I = +I_s.
Es wird auf 13 Bezug genommen; das Diagramm 1302 zeigt einen Fehler Δφ(M, β, φ) der Berechnung des Phasenwinkels φ als eine Funktion des Demodulations-Phasenoffsets β für verschiedene Werte der Modulationstiefe M. Der Fehler Δφ(M, β, φ) ist gleich:
Dort, wo der gemessene Ausgangs-Phasenwinkel arctan (Q/I) gleich dem Eingangs-Phasenwinkel φ ist, ist der Fehler Δφ gleich 0, und die Genauigkeit der Berechnung ist maximal. 13 zeigt Diagramme von Δφ(M, β, φ) für M = 1,48, M = 1,50 und M = 1,52, wobei φ = 1. Die Genauigkeit Δφ liegt innerhalb von ± 1 Milliradian für β zwischen 1,1 und 2,6 Radian, wenn M = 1,50. Wenn M = 1,48, beträgt die Genauigkeit Δφ ungefähr 7 Milliradian. Wenn M von 1,50 um 20 Milliradian abweicht, zum Beispiel M = 1,52 oder M = 1,48, beträgt die Genauigkeit Δφ ungefähr 7 Milliradian.
Es wird auf 14 Bezug genommen; das Diagramm 1402 zeigt den Fehler Δφ(M; β, φ) als eine Funktion des Phasenwinkels φ, wenn die Modulationstiefe M = 1,5 beträgt und drei Werte des Demodulations-Phasenoffsets β innerhalb der Zone von 1,1 bis 2,6 liegen. Wenn β = 1,2, 1,7 und 2,4, liegt die Genauigkeit Δφ(M, β, φ) innerhalb von ± 1 Milliradian. Es wird auf 13 und 14 Bezug genommen; Abweichungen des Demodulations-Phasenoffsets β beeinflussen die Genauigkeit Δφ(M, β, φ) der Berechnung des Phasenwinkels φ nicht wesentlich.
Die Vorrichtung 100 verwendet in einem Beispiel ein oder mehrere computerlesbare signaltragende Medien. Ein Beispiel eines computerlesbaren signaltragenden Mediums für die Vorrichtung 100 umfasst das beschreibbare Datenspeichermedium 144 der Prozessorkomponente 112. Zum Beispiel umfasst das computerlesbare signaltragende Medium für die Vorrichtung 100 eines oder mehrere der folgenden Medien: magnetische, elektrische, optische, biologische und elementare Datenspeichermedien. In einem Beispiel umfasst das computerlesbare signaltragende Medium ein moduliertes Trägersignal, das über ein Netz übertragen wird, das die Vorrichtung 100 umfasst oder mit ihr gekoppelt ist, zum Beispiel eines oder mehrere der folgenden Netze: ein Telefonnetz, ein Lokalnetz (Local Area Network, "LAN"), das Internet oder ein drahtloses Netz.
Die Schritte oder Operationen, die hier beschrieben wurden, sind nur beispielhaft. Es können zahlreiche Varianten dieser Schritte oder Operationen möglich sein, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel können die Schritte in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden, oder es können Schritte hinzugefügt, weggelassen oder modifiziert werden.
Obwohl beispielhafte Implementierungen der Erfindung hier detailliert dargestellt und beschrieben wurden, ist für Fachleute offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen, Ergänzungen, Substitutionen und Ähnliches vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Phasenwinkels eines Ausgangssignals (130, 132, 134) von einem Sensorarray (108), wobei das Sensorarray einen zeitvariablen Phasenwinkel φ auf einem optischen Signal induziert, welches einen phasengenerierten Träger umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Filtern des Ausgangssignals von dem Sensorarray, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen, wobei das Ausgangssignal von dem Sensorarray eine Periode T_pulse umfasst, wobei das Ausgangssignal von dem Sensorarray definiert ist durch
wobei A ein mittlerer Signalpegel ist, B ein Interferenzterm-Signalpegel ist, M die Modulationstiefe ist, T_pgc eine Periode des phasengenerierten Trägers ist, β der Demodulations-Phasenoffset ist und φ der zeitvariable Phasenwinkel ist; Abtasten des gefilterten Signals, um mehrere Samples S_n (202, 302, 402) innerhalb einer Periode T_s zu erhalten, wobei n = 0 bis x, wobei x = 7 oder 15, wobei T_s kleiner oder gleich T_pulse ist; Berechnen eines oder mehrerer Quadraturterme und eines oder mehrerer In-Phase-Terme durch Verwendung eines oder mehrerer von den mehreren Samples S_n, wobei einer oder mehrere von dem einen oder den mehreren Quadraturtermen und einer oder mehrere von dem einen oder den mehreren In-Phase-Termen unabhängig von dem Demodulations-Phasenoffset β sind; und Berechnen des Phasenwinkels φ durch Verwendung des einen oder der mehreren Quadraturterme und des einen oder der mehreren In-Phase-Terme.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Berechnens des einen oder der mehreren Quadraturterme und des einen oder der mehreren In-Phase-Terme durch Verwendung des einen oder der mehreren von den mehreren Samples S_n die folgenden Schritte umfasst: Berechnen einer Menge von Quadraturtermen Q_j und einer Menge von In-Phase-Termen I_k durch Verwendung eines oder mehrerer von den mehreren Samples S_n, wobei j = 0 bis y, wobei k = 0 bis z; Berechnen eines Quadraturterms
wobei Q_s unabhängig von dem Demodulations-Phasenoffset β ist; Berechnen eines In-Phase-Terms
wobei I_s unabhängig von dem Demodulations-Phasenoffset β ist; und Berechnen der Konstante C₁, derart, dass ein maximaler Betrag des Quadraturterms Q_s und ein maximaler Betrag des In-Phase-Terms I_s einen gleichen Betrag für eine Modulationstiefe M eines Operationsbereiches für den phasengenerierten Träger umfassen. Phasenoffset β ist
Verfahren nach Anspruch 2, wobei x = 7, y = 3, z = 1, wobei der Schritt des Berechnens der Menge von Quadraturtermen Q_j und der Menge von In-Phase-Termen I_k durch Verwendung des einen oder der mehreren von den mehreren Samples S_n, wobei j = 0 bis y, wobei k = 0 bis z, die folgenden Schritte umfasst: Berechnen von Q₀ = S₀ – S₄; Berechnen von Q₁ = S₁ – S₅; Berechnen von Q₂ = S₂ – S₆; Berechnen von Q₃ = S₃ – S₇; Berechnen von I₀ = (S₀ + S₄) – (S₂ + S₆); und Berechnen von I₁ = (S₁ + S₅) – (S₃ + S₇).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei x = 15, y = 7, z = 3, wobei der Schritt des Berechnens der Menge von Quadraturtermen Q_j und der Menge von In-Phase-Termen I_k durch Verwendung des einen oder der mehreren von den mehreren Samples S_n, wobei j = 0 bis y, wobei k = 0 bis z, die folgenden Schritte umfasst: Berechnen von Q₀ = S₀ – S₈; Berechnen von Q₁ = S₁ – S₉; Berechnen von Q₂ = S₂ – S₁₀; Berechnen von Q₃ = S₃ – S₁₁; Berechnen von Q₄ = S₄ – S₁₂; Berechnen von Q₅ = S₅ – 5₁₃; Berechnen von Q₆ = 5₆ – S₁₄; Berechnen von Q₇ = S₇ – S₁₅; Berechnen von I₀ = (S₀ + S₈) – (S₄ + S₁₂); Berechnen von I₁ = (S₁ + S₉) – (S₅ + S₁₃); Berechnen von I₂ = (S₂ + S₁₀) – (S₆ + S₁₄); und Berechnen von I₃ = (S₃ + S₁₁) – (S₇ + S₁₅).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Berechnens des Phasenwinkels φ durch Verwendung des einen oder der mehreren Quadraturterme und des einen oder der mehreren In-Phase-Terme die folgenden Schritte umfasst: Berechnen eines Quadraturterms Q aus einem Betrag des Quadraturterms Q_s und einem oder mehreren Quadraturtermen aus der Menge von Quadraturtermen Q_j; Berechnen eines In-Phase-Terms I aus einem Betrag des In-Phase-Terms I_s und einem oder mehreren In-Phase-Termen aus der Menge von In-Phase-Termen I_k; und Berechnen des Phasenwinkels φ des Ausgangssignals aus einem Arcustangens einer Größe Q/I.
Vorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie einen Phasenwinkel eines Ausgangssignals (130, 132, 134) von einem Sensorarray (108) bestimmt, welches einen zeitvariablen Phasenwinkel φ auf einem optischen Signal (116) induziert, wobei das optische Signal einen phasengenerierten Träger umfasst, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Filterkomponente (111), die so konfiguriert ist, dass sie das Ausgangssignal von dem Sensorarray filtert, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen; wobei das Ausgangssignal von dem Sensorarray eine Periode T_pulse umfasst, wobei das Ausgangssignal von dem Sensorarray definiert ist durch
wobei A ein mittlerer Signalpegel ist, B ein Interferenzterm-Signalpegel ist, M die Modulationstiefe ist, T_pgc eine Periode des phasengenerierten Trägers ist, β der Demodulations-Phasenoffset ist und φ der zeitvariable Phasenwinkel ist; eine Prozessorkomponente (112), die so konfiguriert ist, dass sie mehrere Samples S_n (202, 302, 304) des gefilterten Signals erhält, wobei n = 0 bis x, wobei x = 7 oder 15; wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie die mehreren Samples S_n innerhalb einer Periode T_s erhält, wobei T_s kleiner oder gleich T_pulse ist; wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie eines oder mehrere von den mehreren Samples S_n des Ausgangssignals verwendet, um einen oder mehrere Quadraturterme und einen oder mehrere In-Phase-Terme zu berechnen, welche unabhängig von dem Demodulations-Phasenoffset β des phasengenerierten Trägers sind; wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie den einen oder die mehreren Quadraturterme und den einen oder die mehreren In-Phase-Terme verwendet, um den Phasenwinkels φ zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der eine oder die mehreren von dem einen oder den mehreren Quadraturtermen einen Quadraturterm Q_s umfassen, wobei der eine oder die mehreren von dem einen oder den mehreren In-Phase-Termen einen In-Phase-Term I_s umfassen; wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie eines oder mehrere von den mehreren Samples S_n, den Quadraturterm Q_s und den In-Phase-Term I_s verwendet, um den Phasenwinkels φ zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie die mehreren Samples S_n verwendet, um eine Menge von Quadraturtermen Q_j und eine Menge von In-Phase-Termen I_k zu berechnen, wobei j = 0 bis y, wobei k = 0 bis z; wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie die Menge von Quadraturtermen Q_j und die Menge von In-Phase-Termen I_k verwendet, um den Quadraturterm Q_s und den In-Phase-Term I_s zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie eine Konstante C₁ berechnet, wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie berechnet:
wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie berechnet:
wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie die Konstante C₁ derart berechnet, dass ein Betrag des Quadraturterms Q_s und ein Betrag des In-Phase-Terms I_s einen gleichen Betrag bei einer Modulationstiefe M eines Operationsbereiches für den phasengenerierten Träger umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie den Quadraturterm Q_s und die Menge von Quadraturtermen Q_j verwendet, um einen Quadraturterm Q zu berechnen, wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie den In-Phase-Term I_s und die Menge von In-Phase-Termen I_k verwendet, um einen In-Phase-Term I zu berechnen; wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie berechnet: Q = ± Q_s; wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie berechnet: I = ± I_s; wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie die Menge von Quadraturtermen Q_j verwendet, um in Vorzeichen von Q zu bestimmen; wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie die Menge von In-Phase-Termen I_k verwendet, um in Vorzeichen von I zu bestimmen; wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie berechnet: φ = arctan (Q/I).
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei x = 7, y = 3 und z = 1; wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie berechnet: Q₀ = S₀ – S₄, Q₁ = S₁ – S₅, Q₂ = S₂ – S₆ und Q₃ = S₃ – S₇; wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie berechnet: I₀ = (S₀ + S₄) – (S₂ + S₆); und I₁ = (S₁ + S₅) – (S₃ + S₇).
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei x = 15, y = 7 und z = 3; wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie berechnet: Q₀ = S₀ – S₈, Q₁ = S₁ – S₉, Q₂ = S₂ – S₁₀, Q₃ = S₃ – S₁₁, Q₄ = S₄ – S₁₂, Q₅ = S₅ – S₁₃, Q₆ = S₆ – S₁₄ und Q₇ = S₇ – S₁₅; wobei die Prozessorkomponente so konfiguriert ist, dass sie berechnet: I₀ = (S₀ + S₈) – (S₄ + S₁₂), I₁ = (S₁ + S₉) – (S₅ + S₁₃), I₂ = (S₂ + S₁₀) – (S₆ + S₁₄) und I₃ = (S₃ + S₁₁) – (S₇ + S₁₅)
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Periode T_pgc des phasengenerierten Trägers eine Frequenz f_pgc umfasst, die gleich 1/T_pgc ist, ebenfalls die Frequenz f_pgc zwischen 2 MHz und 20 MHz beträgt, wobei der phasengenerierte Träger eine Modulationstiefe M zwischen 1,0 rad und 1,7 rad aufweist, wobei die Filterkomponente eine 3 dB Roll-off-Frequenz zwischen 10 MHz und 60 MHz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Filterkomponente ein Bessel-Tiefpassfilter vierter Ordnung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Filterkomponente ein Filter mit reellem Pol (Real Pole Filter) vierter Ordnung umfasst.
Artikel, welcher ein oder mehrere computerlesbare signaltragende Medien (144) zum Bestimmen eines Phasenwinkels φ eines Ausgangssignals von einem Sensorarray (108) umfasst und in dem einen oder den mehreren Medien Mittel zum Filtern des Ausgangssignals von dem Sensorarray, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen, aufweist; wobei das Sensorarray einen zeitvariablen Phasenwinkel φ auf einem optischen Signal induziert, welches einen phasengenerierten Träger umfasst; wobei das Ausgangssignal von dem Sensorarray eine Periode T_pulse umfasst, wobei das Ausgangssignal von dem Sensorarray definiert ist durch
wobei A ein mittlerer Signalpegel ist, B ein Interferenzterm-Signalpegel ist, M die Modulationstiefe ist, T_pgc eine Periode des phasengenerierten Trägers ist, β der Demodulations-Phasenoffset ist und φ der zeitvariable Phasenwinkel ist; und welcher aufweist Mittel in dem einen oder den mehreren Medien zum Abtasten des gefilterten Signals, um mehrere Samples S_n (202, 302, 402) innerhalb einer Periode T_s zu erhalten, wobei n = 0 bis x, wobei x = 7 oder 15, wobei T_s kleiner oder gleich T_pulse ist; und Mittel in dem einen oder den mehreren Medien zum Berechnen eines oder mehrerer Quadraturterme und eines oder mehrerer In-Phase-Terme durch Verwendung eines oder mehrerer von den mehreren Samples S_n, wobei einer oder mehrere von dem einen oder den mehreren Quadraturtermen und einer oder mehrere von dem einen oder den mehreren In-Phase-Termen unabhängig von dem Demodulations-Phasenoffset β sind; und Mittel in dem einen oder den mehreren Medien zum Berechnen des Phasenwinkels φ durch Verwendung des einen oder der mehreren Quadraturterme und des einen oder der mehreren In-Phase-Terme.
Artikel nach Anspruch 16, wobei die Mittel in dem einen oder den mehreren Medien zum Berechnen eines oder mehrerer Quadraturterme und eines oder mehrerer In-Phase-Terme durch Verwendung eines oder mehrerer von den mehreren Samples S_n umfassen: Mittel zum Berechnen einer Menge von Quadraturtermen Q_j und einer Menge von In-Phase-Termen I_k durch Verwendung eines oder mehrerer von den mehreren Samples S_n, wobei j = 0 bis y, wobei k = 0 bis z; Mittel zum Berechnen eines Quadraturterms
wobei Q_s unabhängig von dem Demodulations-Phasenoffset β ist Mittel zum Berechnen eines In-Phase-Terms
wobei I_s unabhängig von dem Demodulations-Phasenoffset β ist; und Mittel zum Berechnen der Konstante C₁, derart, dass ein maximaler Betrag des Quadraturterms Q_s und ein maximaler Betrag des In-Phase-Terms I_s einen gleichen Betrag für eine Modulationstiefe M eines Operationsbereiches für den phasengenerierten Träger umfassen.
Artikel nach Anspruch 17, wobei x = 7, y = 3, z = 1, wobei die Mittel zum Berechnen der Menge von Quadraturtermen Q_j und der Menge von In-Phase-Termen I_k durch Verwendung des einen oder der mehreren von den mehreren Samples S_n umfassen: Mittel zum Berechnen von Q₀ = S₀ – S₄; Mittel zum Berechnen von Q₁ = S₁ – S₅; Mittel zum Berechnen von Q₂ = S₂ – S₆; Mittel zum Berechnen von Q₃ = S₃ – S₇; Mittel zum Berechnen von I₀ = (S₀ + S₄) – (S₂ + S₆); und Mittel zum Berechnen von I₁ = (S₁ + S₅) – (S₃ + S₇).
Artikel nach Anspruch 17, wobei x = 15, y = 7, z = 3, wobei die Mittel zum Berechnen der Menge von Quadraturtermen Q_j und der Menge von In-Phase-Termen I_k durch Verwendung des einen oder der mehreren von den mehreren Samples S_n, wobei j = 0 bis y, wobei k = 0 bis z, umfassen: Mittel zum Berechnen von Q₀ = S₀ – S₈; Mittel zum Berechnen von Q₁ = S₁ – S₉; Mittel zum Berechnen von Q₂ = S₂ – S₁₀; Mittel zum Berechnen von Q₃ = S₃ – S₁₁; Mittel zum Berechnen von Q₄ = S₄ – S₁₂; Mittel zum Berechnen von Q₅ = S5 – S₁₃; Mittel zum Berechnen von Q₆ = S₆ – S₁₄; Mittel zum Berechnen von Q₇ = S₇ – S₁₅; Mittel zum Berechnen von I₀ = (S₀ + S₈) – (S₄ + S₁₂); Mittel zum Berechnen von I₁ = (S₁ + S₉) – (S₅ + S₁₃); Mittel zum Berechnen von I₂ = (S₂ + S₁₀) – (S₆ + S₁₄); und Mittel zum Berechnen von I₃ = (S₃ + S₁₁) – (S₇ + S₁₅);
Artikel nach Anspruch 16, wobei die Mittel in dem einen oder den mehreren Medien zum Berechnen des Phasenwinkels φ durch Verwendung des einen oder der mehreren Quadraturterme und des einen oder der mehreren In-Phase-Terme umfassen: Mittel zum Berechnen eines Quadraturterms Q aus einem Betrag des Quadraturterms Q_s und einem oder mehreren Quadraturtermen aus der Menge von Quadraturtermen Q_j; Mittel zum Berechnen eines In-Phase-Terms I aus einem Betrag des In-Phase-Terms I_s und einem oder mehreren In-Phase-Termen aus der Menge von In-Phase-Termen I_k; und Mittel zum Berechnen des Phasenwinkels φ des Ausgangssignals aus einem Arcustangens einer Größe Q/I.