JP6817209B2 - 光ファイバの測定された干渉データと光ファイバの基準干渉データとの位置合せ - Google Patents

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関連出願
本特許出願は、２０１５年４月２日に出願された、”REGISTERING MEASURED OPTICAL FIBER INTERFEROMETRIC DATA WITH REFERENCE OPTICAL FIBER INTERFEROMETRIC DATA”という標題の米国仮特許出願第６２／１４２，０６２号について優先権及び出願日の利益を主張するものであり、この文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本技術は、光ファイバ感知に関する。

光学的歪み感知は、例えば、光ファイバの張力、圧縮力、又は温度の変化によって生じる導波路の物理的変形を測定するのに有用な技術である。これは、標準的なシングルコア光ファイバ又はマルチコア光ファイバを用いて行うことができる。マルチコア光ファイバは、単一のファイバ内に埋め込まれた独立した複数の導波路又はコアを含む。コアの長さに沿ったひずみの連続的測定値は、掃引波長干渉法（swept wavelength interferometry）を用いてコアの光学応答を解釈することによって導き出すことができる。ファイバの長さに沿ったコアの相対位置を知ることにより、コアの各々に対するこれらの独立した歪信号を組み合わせて、マルチコア光ファイバに加えられる歪みプロファイルの測定値を得ることができる。ファイバの歪みプロファイルは、高（例えば、５０μｍ未満の）サンプル解像度で、ファイバの長さに沿って加えられた曲げ歪み、ねじり歪み、及び／又は軸方向歪みの測定値を指す。Froggattらに付与された米国特許第８，７７３，６５０号（この文献は参照により本明細書に組み込まれる）に詳細に記載されている光学位置及び／又は形状感知として知られている技術では、この歪みプロファイル情報を使用して、ファイバの３次元位置を再構成する。

最良の形状感知を実施するために、各コアから現在取得した測定データを、そのコアについて以前取得した基準測定データと正確に整列又は位置合わせすべきである。形状感知ファイバは、各コアに沿って半連続的に刻まれたファイバブラッグ格子を含むことができる。これらの格子は、ファイバの長さに沿って繰返しパターンを形成する。この繰返しは、ファイバ上のある位置がファイバ上の別の位置と非常に似ている（同じ又は類似のパターンを有する）ことができるという点でデータを位置合せする際に課題を提起する。実際、現在の測定データと基準データとの間で単純な空間的相互相関が実行される場合に、一般に、ブラッグ格子が重なるブラッグ格子幅の倍数での相関ピークを示す強い相関がある。

図１は、半連続ブラッグ格子を有するファイバコアの相互相関振幅対測定距離対基準データの一例を示すグラフである。この相関関係は一般に強く、格子全体が重なり合ったときにピークに達し、この例では２０ｍｍ毎等である。

必要とされるのは、複数の光学格子を含むファイバに沿った特定の位置を正確に特定し、それら同じ位置の対応する基準データに正確に一致させることができる技術である。

コアに沿って刻まれた、コア内に繰返しパターンを形成する近接した間隔の複数の光学格子を含むコアを有する光ファイバを位置合わせするデータ処理システムに関する例示的な実施形態は、コアから受光した散乱反射に対応する干渉パターンから検出されたコアの長さに関して決定された測定反射データ及び所定の基準反射データを記憶するように構成されたメモリを含む。メモリに結合されたデータ処理回路は、コア内の繰返しパターンによる反射に対応する情報を測定反射データから減少又は除去して、フィルタ処理された測定データを生成し、フィルタ処理された測定データの１つ又は複数の部分を基準反射データの１つ又は複数の部分と相関させて、複数の相関値を生成し、複数の相関値のうちのどれが最大であるかを決定し、最大の相関値に対応するコアに沿った位置を特定するように構成される。

例えば、データ処理回路は、複数の格子内で反復された信号に起因する反射に対応する情報を基準反射データから減少又は除去して、フィルタ処理された基準データを生成し、フィルタ処理された測定データの選択されたセグメントのセットを、フィルタ処理された基準反射データの選択されたセグメントと相関させて、複数の相関値を生成する、又はフィルタ処理された測定データの選択されたセグメントを、フィルタ処理された基準反射データの選択されたセグメントのセットと相関させて、複数の相関値を生成することができる。

フィルタ処理された測定データの例は、隣接する光学格子同士の間のコアセグメントについて検出されたレイリー散乱データと、重なり合う光学格子に対応するコアセグメントについて検出された反射データとを含むことができる。光学格子からの反射が、中心波長を有しており、一実施例では、データ処理回路は、中心波長に対応するスペクトルピークに関する情報を測定反射データから減少又は除去して、フィルタ処理された測定データを生成する。

光ファイバが複数の螺旋状コアを含み、各コアが、各コアに沿って刻まれた近接した間隔の複数の光学格子を含む場合に、データ処理回路は、螺旋状コアの外側のコアに対応する反射格子スペクトルを中心波長に戻すように圧縮する。

非限定的な実施例では、データ処理回路は、基準反射データのサイズを測定反射データのサイズに縮小することができる。データ処理回路は、探索範囲内に第１の解像度を有するインデックス増分だけ、フィルタ処理された測定データの選択されたセグメントを増分的に（incrementally）変更することもできる。別の選択肢は、データ処理回路が、隣接するインデックス同士の間を補間して、より細かい解像度を実現することである。そのような任意の補間は、例えば、スペクトル領域内の反射データにゼロ補填すること（zero padding）によって行うことができる。別の選択肢は、データ処理回路が、補間に基づいて第１の解像度よりも細かい第２の解像度を有するインデックス増分だけ、フィルタ処理された測定データの選択されたセグメントを増分的に変更することである。

別の非限定的な実施例の特徴は、データ処理回路が、複数の相関値の放物線近似を決定し、この放物線近似を用いて最大の相関値に対応するコアに沿った位置を決定することである。データ処理回路は、オプションで、隣接するインデックス同士の間を補間して、スペクトル領域内の反射データにゼロ補填することにより、より細かい解像度を実現し、複数の相関値の放物線近似を決定し、補間されたインデックス及び放物線近似を用いて最大の相関値に対応するコアに沿った位置を決定することができる。

他の非限定的な実施例の特徴は、測定反射データの複数のセットを平均して、測定反射データを決定すること、及び／又は、測定反射データ及び基準反射データを正規化することを含む。

非限定的な実施例では、相関値のいずれもが閾値を超えない場合に、データ処理回路は、測定のために接続された光ファイバが基準反射データと一致しないと判定する。あるいはまた、データ処理回路は、複数の相関値に基づいて複数の他の異なる光ファイバから光ファイバを特定するように構成される。さらに別の代替例は、データ処理回路が、複数の相関値に基づいて、光ファイバが干渉計測システムに接続されているかどうかを特定するように構成されることである。

非限定的な実施例では、データ処理回路は、干渉測定システムに含まれる。データ処理回路は、光ファイバについて検出された反射信号レベルとノイズフロアとの比較に基づいて、干渉測定システムへの光ファイバの望ましくない接続を検出するようにさらに構成される。

例示的な実施形態は、コアに沿って刻まれた、コア内に繰返しパターンを形成する近接した間隔の複数の光学格子を含むコアを有する光ファイバの位置合せ方法に関する。この方法は、コアから受光した散乱反射に対応する干渉パターンを生成し検出するステップと、干渉パターンから測定反射データを決定するステップと、コア内の繰返しパターンによる反射に対応する情報を測定反射データから減少又は除去して、フィルタ処理された測定データを生成するステップと、フィルタ処理された測定データの１つ又は複数の部分を所定の基準反射データの１つ又は複数の部分と相関させて、複数の相関値を生成するステップと、複数の相関値のうちのどれが最大であるかを決定するステップと、最大の相関値に対応するコアに沿った位置を特定するステップと、を含む。

例示的な実施形態は、本明細書に記載の他の装置及び方法に関する。

半連続的なブラッグ格子を有するファイバコアについての相互相関振幅対測定距離対基準データの一例を示すグラフである。 マルチコア・コネクタによって光学的問合せシステム（optical interrogation system）に接続されたマルチコアファイバセンサの例を示す図である。 ＯＦＤＲベースのマルチコアファイバ感知システムを使用する非限定的な実施形態の一例を示す図である。 図３の例示的なシステムを使用するＯＦＤＲ測定の例示的な手順を示すフローチャートである。 反射データ対遅延データのＯＦＤＲトレースの一例を示す図である。 ギャップによって分離された半連続的なファイバブラッグ格子を含むファイバコアを示す図である。 縁部で僅かに重なる半連続的なファイバブラッグ格子を含むファイバコアを示す図である。 非屈曲状態のファイバの単一コアのセクションからの反射スペクトルの例を示す図である。 ファイバコアからの反射スペクトルに適用されるウィンドウの一例を示す図である。 スペクトル領域において格子反射がフィルタ処理された又は区域外となるよう窓処理された、半連続格子を有するファイバコアの相互相関振幅対距離の例示的なプロットである。 セグメント探索手順を示すスペクトル領域における振幅対空間インデックスのグラフの例である。 セグメント探索手順を示すスペクトル領域における振幅対空間インデックスのグラフの例である。 測定データにおける所望のセグメントの位置として選択するための最大の相関ピークを生じる測定セグメントの空間的位置を決定する、又はその測定セグメントに関連する遅延を決定するための例示的手順を概説する図である。 ＬａｂＶｉｅｗコードを用いて、どの様にしてデータにゼロ補填するかの例を示す図である。 相互相関振幅対周波数増分（垂直軸）及び遅延増分（水平軸）を示すグラフの一例である。 例示的な相関振幅対遅延スライスのプロットである。 最大相関の分数位置を見出すために、ピーク周辺のデータの放物線近似を使用する方法をＬａｂＶｉｅｗコードで示す図である。 分数ピーク振幅を見出すために使用されるサンプルピーク及び放物線近似を示す例示的なプロットである。 螺旋状コアを含むマルチコアファイバの一例を示す図である。 ファイバが屈曲された場合のセグメント上の４つの螺旋状コアの位相導関数対時間の例示的なプロットである。 ファイバ内の屈曲による位相効果を計算するＬａｂＶｉｅｗコードの一例を示す図である。 位相推定補正を使用して測定データを補正するＬａｂＶｉｅｗコードの一例を示す図である。 測定データが位相推定値を用いて補正されない場合の基準データスペクトル（黒線）と比較した、４つの偏光状態（明るい陰影線）の例示的な測定スペクトルを示すプロットである。 図２２Ａの同じ測定データを示すが、位相推定補正が適用された後のプロットである。 図１２と同様の位置合せ手順を示すフローチャートであり、ゼロ補填の追加及び分数ピークを見つけることを含む。 反射振幅対距離又は遅延の例示的なプロットである。 反射振幅対距離又は遅延の例示的なプロットである。 反射振幅対距離又は遅延の例示的なプロットである。

以下の説明は、限定ではなく説明目的のために特定の実施形態等の特定の詳細について記載する。しかしながら、当業者であれば、これらの特定の詳細とは別の他の実施形態を用いてもよいことが理解されよう。いくつかの例では、周知の方法、インターフェース、回路、及び装置の詳細な説明は、不必要な詳細な説明で本明細書を不明瞭にしないように省略される。個々のブロックが、様々なノードに対応する図に示されている。当業者であれば、これらのブロックの機能は、個別のハードウェア回路を使用して、適当にプログラムされたデジタルマイクロプロセッサ又は汎用コンピュータと共にソフトウェアプログラム及びデータを使用して、及び／又は特定用途向け集積回路（ASIC）を使用して、及び／又は１つ又は複数のデジタル信号プロセッサ（DSPs）を使用して、実装することができる。ソフトウェアプログラム命令及びデータは、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体に記憶されてもよく、命令がコンピュータ又は他の適切なプロセッサ制御によって実行されたときに、コンピュータ又はプロセッサは、それらの命令に関連する機能を実行する。

こうして、当業者であれば、例えば、本明細書の図が構造及び機能ユニットの概念図を表すことができることが理解されよう。フローチャートは、そのようなコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されているか否かに拘わらず、コンピュータ可読媒体に実質的に表され、コンピュータ又はプロセッサによって実行されるプロセスを表すことが理解されよう。

様々な図示された要素の機能は、コンピュータ可読媒体に記憶されたコード化された命令の形態のソフトウェアを実行することができる回路ハードウェア及び／又はハードウェア等のハードウェアを使用することによって提供することができる。こうして、そのような機能及び図示された機能ブロックは、ハードウェア実装及び／又はコンピュータ実装のいずれか、従ってマシン実装として理解すべきである。

ハードウェア実装に関して、機能データ処理ブロックは、限定ではなく、デジタル信号プロセッサ（DSP）ハードウェア、縮小命令セットプロセッサ、特定用途向け集積回路（複数可）（ASIC）及び／又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（複数可）（FPGA）を含むがこれらに限定されないハードウェア（例えば、デジタル又はアナログ）回路、及び（必要に応じて）このような機能を実行することができる状態マシンを含む、又は網羅することができる。

コンピュータ実装に関して、コンピュータは、一般に、１つ又は複数のプロセッサ又は１つ又は複数のコントローラを含むと理解され、コンピュータ、プロセッサ、及びコントローラという用語は交換可能に使用され得る。コンピュータ、プロセッサ、又はコントローラによって提供される場合に、機能は、単一の専用のコンピュータ又はプロセッサ又はコントローラによって、単一の共有コンピュータ又はプロセッサ又はコントローラによって、又は複数の個別のコンピュータ又はプロセッサ又はコントローラ（その一部は共有又は分散されてもよい）によって、提供してもよい。さらに、「プロセッサ」又は「コントローラ」という用語は、上述の例示的なハードウェア等の、そのような機能を実行する及び／又はソフトウェアを実行することができる他のハードウェアも指す。

図２は、ファイバ１４内のコアに沿った光学格子を含み、マルチコア・コネクタ１２によって光学的問合せ（interrogator）システム１０（問合せ機１０とも呼ばれる）に接続された例示的なマルチコアファイバ１４を示す。この例のマルチコアスタンドオフ（stand-off）ケーブル１６は、ファイバ１４と問合せ機１０とを分離する。以下に説明する技術は、（コアに沿って光学格子を含む）単一のコアファイバを位置合わせするのにも適しているが、（形状感知に使用される）コアに沿った光学格子を含むマルチコアファイバについて、以下の例示的な実施形態で説明している。１つの応用例では、マルチコア光ファイバを使用してロボット医療器具の形状を感知することができる。

光干渉監視システムの一例は、光周波数領域反射測定（Optical Frequency Domain Reflectometry: OFDR）システムである。図３は、マルチコア光ファイバ１４に結合されたＯＦＤＲ問合せシステム１０を含む、ＯＦＤＲベースのマルチコアファイバ感知システムを使用する非限定的な例示的実施形態を示す。マルチコア光ファイバ１４は、この例では４つのコアＡ〜Ｄを含み、コネクタ１２を介してＯＦＤＲ問合せシステム１０に接続される。各コアは、コアに沿って刻み込まれた光学格子を含む。ファイバ内の各光コアの長さに沿ったひずみの連続的な測定値は、掃引波長干渉法を用いてコアの光学応答を解釈することによって導き出すことができる。ＯＦＤＲを使用して、高解像度で高感度の光学時間領域測定を行うことができる。マルチチャネルＯＦＤＲシステム（各光ファイバコアに問合せするために１つのチャネルが使用される）は、同調可能な光源１８、干渉問合せ機２２、レーザ監視ネットワーク２０、データ取得ユニット２４のデータ取得電子回路、及びシステムコントローラ・データプロセッサ２６を含む。

図４は、図３の例示的なシステムを使用するＯＦＤＲ測定の手順の例を示すフローチャートである。ステップは、マルチコアファイバの場合に、これらのステップが各コアに適用されることを意味する１つのコアの動作を記述する。

ＯＦＤＲ測定の間に、同調可能な光源１８は、ある範囲の光周波数で掃引される（ステップＳ１）。この光は、光カプラを用いて分割され、複数の干渉計に送られる。１組の干渉計は、コネクタ１２を介して感知ファイバ１４の長さに接続された干渉問合せ機２２である。光は、干渉問合せ機２２の測定アームを通ってマルチコア感知ファイバ１４に入る（ステップＳ２）。コアに刻み込まれた格子からの反射光を含む、感知ファイバ１４からの散乱光は、干渉問合せ機２２の基準アームに沿って進行した光と干渉される（ステップＳ３）。レーザ監視ネットワーク２０は、測定スキャン全体に亘って絶対基準波長を提供するシアン化水素（HCN）ガスセルを含む（ステップＳ４）。レーザ監視ネットワーク２０内の別の干渉計を使用して、光源１８が周波数範囲に亘って走査されるときに同調速度の変動を測定する（ステップＳ５）。データ取得ユニット２４の入力端子における一連の光検出器（例えば、フォトダイオード）は、レーザ監視ネットワーク、ガスセルからの光信号及び感知ファイバからの干渉パターンを対応する電気信号に変換する（ステップＳ６）。データ取得ユニット２４内のデータプロセッサは、レーザ監視ネットワーク２０の干渉計からの情報を使用して、感知ファイバ１４の検出された干渉パターンを再サンプリングし、それによりそのパターンが光周波数において一定の増分（increment）を有するようになる（ステップＳ７）。このステップは、フーリエ変換操作の数学的必要条件である。再サンプリングされると、フーリエ変換がシステムコントローラ２６によって実行され、マルチコアファイバ１４の初期向きについて時間領域の光散乱信号を生成する（ステップＳ８）。時間領域において、（例えば、ファイバのコアに沿ったファイバブラッグ格子によって引き起こされる）光散乱イベントの振幅は、ファイバの長さに沿った遅延に対して示される。所与の時間増分内に光が移動する距離を用いて、この遅延を、感知ファイバに沿った長さの尺度に変換することができる。換言すれば、光散乱信号は、ファイバに沿った距離の関数として（例えば、ファイバのコアに沿ったファイバブラッグ格子によって引き起こされる）各散乱イベントを示す。サンプリング期間は、空間解像度と呼ばれ、測定中に同調可能な光源１８が掃引された周波数範囲に反比例する。

ファイバが歪んでいるときに、ファイバの物理的長さが変化すると、局所的な光散乱がシフトする。局所的な光散乱からの反射は、高度に反復可能である。こうして、非歪み状態のファイバの基準パターンとして機能する、ファイバについて検出された光散乱のＯＦＤＲ測定値を、メモリに保持することができる。次に、ファイバが歪みを受けているときに続いて測定された散乱信号は、システムコントローラ２６によってこの基準パターンと比較され、感知ファイバの長さに沿った局所的散乱の遅延のシフトの尺度を得る。この遅延のシフトは、基準散乱パターンと比較した場合に、連続的に緩やかに変化する光位相信号として現れる。この光学位相信号の導関数は、感知コアの物理的長さの変化に正比例する。物理的長さの変化は、感知ファイバに沿った歪みの連続測定値を生じる歪みに比例する可能性がある。

例えばファイバが歪みを受けている場合に、その後に測定された散乱信号を基準パターンと比較すると、各コアから現在取得した測定データをそのコアについて以前取得した基準測定データと正確に位置合せする必要がある。冒頭で説明したように、各コアに沿って半連続的に刻まれたファイバブラッグ格子は、ファイバの長さに沿って繰返しパターンを形成し、この繰返しパターンは、ある位置についての測定データをその同じ位置についての対応する基準データに位置合せすることを困難にさせる。上述した図１に示されるように、現在の測定データと基準データとの間で実行される単純な空間相互相関は、一般に、ブラッグ格子幅の倍数で相関ピークを生成する。

ファイバについての測定ＯＦＤＲデータのセットを基準ＯＦＤＲデータに位置合せする１つの手法は、コネクタ１２からの反射を使用することである。図５のＯＦＤＲトレースの例に示されるように、コネクタは、このグラフの反射対遅延データの０と１ｎｓとの間に比較的強い、鋭いピークとして現れる。このピークは、２つのデータセットを整列させるために、基準データ内の同じピークを用いて特定され、整列され得る。この手法の第１の問題点は、接続が非常に良好である場合に、このピークが非常に弱くなり検出不能になる可能性があることである。第２の問題点は、ユーザが感知を開始したいと思う位置が、コネクタを越えてかなり離れた距離となる可能性があることである。ファイバがコネクタ位置と感知開始領域との間で引っ張り又は圧縮される場合に、コネクタ位置のアライメントは、感知処理が開始される位置を適切に整列させないことがある。コネクタ手法を使用する第３の問題点は、ファイバセンサが接続されている場合であっても、特定のファイバセンサの固有の識別又は表示を可能にしないことである。

ファイバコア内に刻まれた半連続的な格子を用いてファイバコア内の位置を一意に特定するために、（すなわち、ファイバは、個々の格子を有しており、これら格子は、それら格子同士の間のギャップに重なるか又はギャップを有するように間隔があけられ、これのギャップは、格子パターンの周期性を乱す、）基準測定のその位置に関して、本発明者らは、格子が刻み込まれているか否かに拘わらず、各ファイバが、コアガラス材料中の微視的粒子によって引き起こされる固有のレイリー後方反射信号パターンを必然的に含むことを認識した。なお、このレイリー後方反射信号パターンは、そのファイバに沿った特定の領域及び位置を一意に特定するために使用することができる。これらのレイリー後方散乱反射信号は、格子反射信号よりも弱い反射振幅を有するが、周期的ではなくランダムである。また、このようなランダム信号を含み得る繰返しのブラッグ回折格子の間には、大抵の場合、「ギャップ」が存在する。

図６は、ＯＦＤＲ測定、すなわちレイリー後方散乱で生成されるランダム散乱反射信号により小さなギャップだけ分離される半連続的なファイバブラッグ格子を含むファイバコアを示す。各ファイバブラッグ格子は同じパターンを有するので、複数の格子はコアに沿った繰返しパターンを生じさせる。

図７は、ＯＦＤＲ測定で生成されたオーバーラップ領域内のランダム散乱信号を生成する、縁部で僅かに重なり合う半連続的なファイバブラッグ格子を含むファイバコアを示す。重なり合う格子は、一般に位相が揃っていない。重なり合った格子の周期的パターン同士の間の位相整列の不一致は、格子が互いに干渉するオーバーラップ領域内にランダム位相及び振幅信号を生じさせ、繰返しパターンを崩壊させる。

これらのランダム散乱反射は比較的弱いので、より強い、周期的な格子反射の影響を排除又は減少することが有利である。光学格子は、主に、繰返しパターンに対応する１つの中心波長で各コアに刻まれる。ファイバが非屈曲状態の場合に、ファイバの単一コアのセクションからの反射スペクトルは、格子の中心波長に強い中心ピークを有する。図８は、１０００と１１００との間のインデックス（index）の間に位置する中心波長を有するそのようなスペクトルの例を示す。

コアに沿った格子の繰返しパターンに対応するこの中心スペクトルピークは、ＯＦＤＲ測定データからフィルタ処理又は区域外となるよう窓処理（windowed out）される。残りの広帯域信号は、光学格子に重なる、ファイバコア内のランダム成分からの反射スペクトル、例えばレイリー散乱等である。図９は、反射スペクトルに適用される窓関数の例を示す。窓関数は、反転ステップ関数として示され、元のスペクトルは、ウィンドウ内にピークを含み、窓処理されたスペクトルはウィンドウのいずれかの側に示される。窓関数は、デジタルフィルタ処理又はアナログフィルタ処理を使用して、例えば、帯域除去フィルタ、帯域阻止フィルタ、ノッチフィルタ等を使用して、実施することができる。

ファイバのＯＦＤＲ測定データと基準ＯＦＤＲ反射データとの両方からのスペクトルがフィルタ処理（窓処理）されると、測定データの正しい位置を特定するために、２つのフィルタ処理されたデータセットの間でスペクトル振幅相互相関が実行される。図１０は、格子反射がスペクトル領域において区域外となるよう窓処理された、半連続的な格子を有するファイバコアの例示的な相互相関振幅対距離のプロットを示す。その結果、測定データが約２８ｍｍに示された基準データと一致する位置を明確に特定する固有の強い相関ピークが得られる。

この相関ピークを特定するために、以下の例示的な手順を使用することができる。図１１Ａ及び図１１Ｂは、セグメント探索手順を示す時間領域における振幅対空間インデックスのグラフの例である。ファイバに沿った特定の位置における所望のファイバセグメントが選択され（図１１Ｂでは「一致する所望のセグメント」として示されている）、基準データにおいて空間的に窓処理される。基準データが測定データよりも大きい場合（例えば、基準データがスペクトル的に測定データのサイズの２倍である場合）に、基準データは、好ましくは、スペクトル領域において同じサイズの測定データに縮小される。同じサイズのセグメントが、測定データから選択され、窓処理される（図１１Ａでは「探索セグメント」として示される）。このセグメント選択は、基準データ内の位置から所望の探索範囲の半分を引いた位置から開始される（図１１Ａに示される例示的な探索範囲を参照）。この測定セグメント及び基準セグメントからのデータに対してスペクトル振幅相関が実行され、振幅対スペクトル指数が記録される。別の測定セグメントは、探索範囲内の探索セグメントを空間インデックスだけ前進させる（例えば、図１１Ａに示される所望の探索範囲内で探索セグメントを右側に移動させる）ことによって選択され、別の相互相関スペクトルが記録される。この前進させる空間インデックス−相互相関手順は、所望の探索範囲が測定データにおいてカバーされるまで繰り返される。次に、記録された相関スペクトルの中から最大の相関ピークが決定される。最大の相関ピークを生じさせた測定セグメントの空間的位置又はその測定セグメントに関連する遅延は、測定データにおいて所望のセグメントの位置として選択される。

図１２に示されるフローチャートは、そのようなプロセスの手順の例を概説する。複素（complex）基準データの所望のセグメントが、空間領域のファイバ位置Ｌで選択される（ステップＳ１０）。フーリエ変換が、複素基準データの所望のセグメントに対して実行され、その所望のセグメントをスペクトル領域に変換する（ステップＳ１２）。中心の格子ピークが、区域外となるよう窓処理される（基準データのサイズが測定データサイズに縮小される）（ステップＳ１４）。測定スペクトル振幅と基準スペクトル振幅とが相互相関され、その結果がメモリに記憶される（ステップＳ１６）。ステップＳ２４において、所望の探索範囲がカバーされているか否かが判定される。所望の範囲がカバーされている場合に、相関ピークが最大となるインデックスｘが決定される（ステップＳ２８）。これは、測定データ内のセグメントの位置である。所望の範囲がカバーされていない場合に、インデックスｘをインクリメントした後にプロセスを繰り返す（ステップＳ２６）。ステップＳ１８〜Ｓ２２は、位置Ｌ−ｘにおいて測定データのセグメントに対して実行されるステップＳ１０〜Ｓ１４と同様であり、ここで、ｘは、最初は所望の探索範囲の半分である。

上記の探索例は、測定データのセグメントの探索範囲内の複数のセグメントと相関させるために基準データの１つのセグメントを使用したが、同様の結果は、測定データの１つのセグメントを基準データのセグメントの探索範囲内の複数のセグメントと相関させることによって取得してもよい。

例示的な実施形態では、測定セグメントの位置は、分数（非整数）（fractional）インデックス精度で特定される。時間領域データは、データがスペクトル領域に変換され、所望の補間係数によってゼロ補填され、逆変換されて時間領域に戻るフーリエ変換技術を使用して、以下の非限定的な実施例において空間的により高い解像度に補間される。測定セグメントを選択するステップは、分数ステップでもよい。例えば、データが２の係数で補間される場合に、各ステップはインデックスの半分になることがある。４の係数で補間することで、４分の１のインデックス等だけステップを進めることができる。

図１３は、ＬａｂＶｉｅｗコードを用いて、どの様にデータにゼロ補填するかの非限定的な例を示す。ＬａｂＶｉｅｗは、Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbenchの略で、ビジュアルプログラミング言語についてよく知られたシステム設計プラットフォーム及び開発環境である。ＬａｂＶｉｅｗコードの実行は、プログラマが線を引いて異なる機能ノードを接続するグラフィカルなブロック図の構造（ＬａｂＶｉｅｗ−ソースコード）によって決定される。これらの線は、変数を伝播し、全ての入力データが利用可能になると直ぐに任意のノードを実行することができる。図１３の左側の入力は、空間領域の複素データであり、図１３の右側の出力は、空間領域におけるゼロ補填され、補間されたデータである。入力データは、最初に、フーリエ変換を介してスペクトル領域に変換される。新しい配列のサイズが元のサイズに所望の補間係数、すなわち２、４等を乗算したサイズとなるように、ゼロの配列がデータに対称的に追加される。次に、このゼロ補填配列は、逆フーリエ変換を使用して逆変換され、時間領域に戻される。この時間領域データは、ここで所望の補間係数によって補間され、空間解像度はその補間係数だけ増大されている。このゼロ補填は、分数インデックスステップを可能にする測定セグメントを選択する前に実行される。

相関データ対スペクトル指数対遅延位置の２次元配列を形成することができる。図１４は、相互相関振幅対周波数（スペクトル）増分（垂直軸）及び遅延増分（水平軸）を示すグレースケールグラフの一例である。この２次元画像プロットは、上述した相互相関探索操作の結果である。最大の相互相関振幅（スライス内の最も明るい領域）が生じる周波数（１０００を少し上回る周波数増分）で切り取られる水平スライス（グレースケール）を使用して、この最大の振幅値が発生するここで分数遅延インデックス値（すなわち、２３）を見つけることができる。相関ピーク対遅延スライスの一例が、図１５に示されており、遅延増分２３においてその最大振幅が確認される。

例示的な実施形態では、次に、ピーク周辺のデータの放物線近似（parabolic fit）を使用して、最大の分数（fractional）位置を見つけることができる。この動作を実行するために、図１６に示される非限定的な実施例のＬａｂＶｉｅｗコードを使用することができる。このサンプルコードでは、データ３４の最大点を中心とする、データ３２のサブセットが、例えば、所望の探索範囲又は幅で切り取られる。次に、このデータは、放物線近似３５で「適合」される。放物線が、以下の式によって与えられた場合に、
ｙ＝ａ＋ｂｘ＋ｃｘ^２
その放物線の最大点は、導関数がゼロのときである。
０＝ｂ＋２ｃｘ
ｘ＝−ｂ／２ｃ
データサブセット３７の開始点に追加されるこの値３６は、データセット３８の最大端数（fractional point）を与える。

図１７の例示的なプロットは、インデックス２で約２０００の端数ピーク（fractional peak）振幅を見出すために使用されるサンプルピーク及び放物線近似を示す。

フーリエ補間（ゼロ補填）と放物線近似の使用を組み合わせることは、測定セグメントが基準セグメントに一致する（ファイバに沿った位置に対応する）分数遅延を決定する計算上効率的な方法である（が、これも例示的な方法である）。フーリエ補間は、相関振幅対遅延データのピークが放物線で近似することができるスムージング関数を形成するように十分なレベルまで行われる。放物線近似は、追加の補間を行うのと比較して、分数精度をより効率的に達成する方法である。

更なる実施形態は、ファイバが屈曲される状況に対処しており、これは、形状感知にしばしば使用されるような螺旋状コアを含むマルチコアファイバにとって特に重要であり得る。螺旋状コアを含むマルチコアファイバの例を図１８に示す。追加のステップが、螺旋状コアを含むマルチコアファイバのデータ処理において使用される。ファイバが屈曲されると、外側コアの格子は、ファイバの螺旋周期で張力及び圧縮を交互に受ける。この張力及び圧縮により、格子からの反射スペクトルがシフトする。

ファイバが屈曲された場合のセグメント上の４つの螺旋状コアの位相導関数対時間のプロットの例を図１９に示す。この位相導関数は、ファイバの下の距離関数として反射波長に比例する。図１９のプロットから分かるように、ファイバの屈曲によって、波長が３つの外側コアで振動し、位相導関数をゼロに近付ける中心コアでは、波長は、もはや中心波長に比較的固定されていない。これにより生じる効果は、屈曲されたセグメントの外側コアの格子スペクトルが広がり、中心ピークの周りに緊密にセンタリングされていないことである。十分な量の広帯域信号を残しながら、格子からの反射スペクトルをより効果的に区域外となるよう窓処理するために、スペクトルは圧縮されて中心ピークに戻される。これは、屈曲による位相への影響を推定する位相推定値を計算することによって例示的な実装形態で実行される。

このような推定値を計算する非限定的な実施例が、図２０のＬａｂＶｉｅｗコードを使用して示される。基準データは、測定データのサイズまで縮小されるが、窓処理されないままであり、それにより格子信号をデータに残す。全ての偏光信号４２について、複素共役基準データ４０を測定データ４１によって乗算する。形状感知に使用されるＯＦＤＲシステムの例では、２つの偏光分岐検出器で測定された２つの直交入力偏光状態についてデータが記録され、Ｓ及びＰとラベル付けされる全部で４つの偏光信号がもたらされる。この方法は、このデータのどのサブセットに対しても機能する。すなわち、４つの偏光状態は必要ない。以前のデータポイント４３の複素共役で時間領域の複素数データセット内の各データポイントを乗算することによって、位相導関数が効果的に計算される。４つの偏光状態のそれぞれから得られた信号が加算され４４、その結果がフィルタ処理され４５、次に、積分され４６、測定信号と基準信号との間の位相差の推定値を形成する。

推定位相差に等しい位相を有するベクトルで測定データを乗算することによって、中心ピーク付近のスペクトルデータを圧縮し、測定データをこの位相差と相関させる。この測定データ補正動作は、非限定的な一実施形態では、図２１に示される非限定的な実施例のＬａｂＶｉｅｗコードを用いて実行することができる。基準データ５０は、好ましくは、測定データセットのサイズ５１に一致するようにスペクトル的に縮小されたサイズ５２である。一例では、基準は測定サイズの２倍であり、同じ波長を中心にしている。より一般的には、基準データは、測定データのスペクトル範囲を含む任意のデータセットであってもよい。測定データのスペクトルサイズ及び波長範囲と一致する基準データの適切なサブセットは、潜在的により大きい基準データセットから使用することができる。基準データの複素共役５３を使用して、測定データセットと基準データセットとの間の位相差の推定値５４を計算する。この位相差推定値を使用して、測定データと、位相差推定値５５に対応する単位振幅及び位相のベクトルとを乗算することによって、測定データセットを補正する。この演算の効果は、計算された位相差を測定データから除去して、格子から反射されたスペクトルを測定データに圧縮する。

図２２Ａのプロットは、測定データが位相推定値で補正されていない場合の基準データスペクトル（黒線）と比較した、４つの偏光状態（明るい陰影線）の例示的な測定スペクトルを示す。図２２Ｂのプロットは、位相推定補正が適用された後のこの同じ測定データを示す。位相補正は、格子の反射スペクトルの測定データを基準（非屈曲状態のファイバ）スペクトルに似ているピークに圧縮する。次に、この補正された測定データが窓処理され、相互相関探索が実行されて、測定データを基準データに位置合せする正しい遅延（ファイバ上の位置）が特定される。

図２３は、図１２と同様の位置合せ手順を示すフローチャートであり、ゼロ補填の追加、及び分数ピークを見つけることを含む。図２３は、空間領域における複素基準データ及び複素測定データをそれぞれ提供する開始ステップＳ３０及びＳ４０を含む。ステップＳ１０で複素基準データから所望のセグメント位置Ｌが選択され、複素基準データ及び測定データを上記のように処理して位相推定値を計算する（ステップＳ３８）。位相推定値は、測定データに適用され（ステップＳ４２）、次にスペクトル領域においてゼロ補填され、補間を提供する（ステップＳ４４）。同じサイズの所望のセグメントが位置Ｌ−ｘにおいて空間領域測定データから選択され、ここでｘは分数位置を表すインデックスである（ステップＳ４６）。ステップＳ２０及びＳ２２が図１２のように実行される。ステップＳ１０から、選択されたセグメントの基準データの位置Ｌが、ステップＳ１２においてスペクトル領域にＦＦＴ処理され、必要に応じて基準サイズが縮小される（ステップＳ３２）。補間のためのスペクトル領域においてゼロ補填基準データが追加され（ステップＳ３４）、図１２のようにステップＳ１４、Ｓ１６、Ｓ２４、Ｓ２６が実行される。所望の探索範囲がカバーされる場合に、相関ピークが最大となる分数インデックスｘは、対応する基準データに対するその測定データセグメントの適切な位置合せ位置を特定するように決定される。

従って、この技術は、基準測定においてその対応する位置に関してファイバのセグメントを一意的に識別又は特定する。ファイバに存在するランダム信号はそのファイバ固有のものであるため、この位置合せ技術を使用して、任意の時間にどのセンサがＯＦＤＲに接続されているかを特定することができる。一例のアプリケーションでは、基準データファイルが選択される。測定データファイルがこの基準データファイルと一致する場合に、正しいファイバセンサが接続される。十分な相関が得られない場合に、それは、間違ったファイバセンサが接続されるか、又はファイバセンサが接続されていないことを示す。マルチコア・コネクタ１２の後の信号レベル（図２４Ａ及び図２４Ｂのプロットの左側の大きなピーク）は、これら２つの状況を区別するために使用される。接続品質が悪いと、相関がないこともあり得る。この状態は、ファイバセンサで検出された反射信号レベルをノイズフロアに対して評価することによって判定することもできる。図２４Ｃでは、「接続不良／ＳＮＲ」と表示された反射信号振幅レベルは、プロットの右側に示されたノイズフロアレベルを大きく上回るものではない。

別の例示的なアプリケーションは、全ての利用可能なセンサについての基準ファイルを記憶する。データプロセッサは、満足のいく相関マッチングが見つかるまで、測定データを記憶装置内の各基準ファイルと比較する。測定データと十分に一致する基準ファイルは、どのセンサが接続されているかを特定する。

他の例示的な実施形態では、データ平均化を使用して、より高品質で、より反復可能な結果を達成することができる。同じ状態における感知ファイバの複数のＯＦＤＲスキャンのそれぞれのデータが時間の関数として記録され、これらの複素データセットが平均化され、信号対雑音比（SNR）、従って相関品質が改善される。基準データと測定データとの両方を平均化すると、より高品質のデータと良好な相関結果とが得られる。通常の動作では、平均化された基準データを記憶することが一般的である。しかしながら、平均化された測定データを使用することは現実的ではない。代わりに、相関データは数回のスキャンに亘って平均化することができる。この場合に、各測定スキャンと平均化された基準データとの間の相関が計算され、結果として得られたデータが平均化される。この平均した相関データを使用して、より良い分数ピークを見つけることができる。図６に示されるように、相関対振幅全体対周波数対遅延アレイを平均する、又は最大周波数での相関振幅のスライス対遅延を単に平均することができる（図７参照）。

他の例示的な実施形態は、測定データ又は基準データ振幅又は相関に使用されるセグメントサイズによって相関振幅が大きく変化しないように入力データを正規化する。正規化は、相関振幅を基準データ及び測定データの平均振幅で除算し、補間係数及びセグメントサイズの２乗を乗算することによって達成される。これにより、相関振幅閾値を設定することができ、その閾値を超えると、相関が良好であると認識され、これは、正しいセンサが、接続され、一意に特定され、及び空間的に位置合わせされることを示す。その閾値以下では、相関は不十分であるとみなされ、信号品質が悪いことを示しているか、又は不正確なセンサが接続されていることを示す。

測定データ及び基準データがスペクトル的に十分に整列されている場合に、位置合せプロセスを簡略化することができる。これは、測定データが、適用された温度又は歪み又はスキャン範囲内の波長シフトのために基準データから著しくスペクトル的にシフトされない場合に当てはまる。これは、良好な位相推定補正が測定データに適用され、測定データ及び基準データの満足できるスペクトル整列をもたらす場合にも当てはまる。測定データ及び基準データがスペクトル的に十分に整列されている場合に、上述したように様々な遅延増分でスペクトル振幅相互相関を実行するのではなく、より単純な時間振幅相互相関を実行してもよい。２次元相関振幅対周波数対遅延プロットを提供する代わりに、この簡略化されたプロセスは、相関対遅延のプロットを直接的に提供する。同じ補間及び放物線近似ステップを適用して、相関が最大となる分数遅延を生成する。データセットがスペクトル的に整列されておらず、不十分な相関をもたらす場合は、本明細書に記載されるより包括的な検索が好ましい。

様々な実施形態について示し、詳細に説明してきたが、特許請求の範囲は、特定の実施形態又は実施例に限定されるものではない。特定の要素、ステップ、範囲、又は機能が必須であり、これを特許請求の範囲に含まれなければならないことを暗示するものとして上記の詳細な説明を読むべきではない。特許請求の範囲の主題は、特許請求の範囲によってのみ規定される。法的保護の範囲は、許可された請求項に記載される用語及びその均等物によって規定される。当業者に知られている、上記の好ましい実施形態の要素に対する全ての構造的及び機能的均等物は、本明細書に参照として明示的に組み込まれ、本特許請求の範囲に包含されることが意図される。さらに、本発明の請求項に包含されるために、装置又は方法が、記載された技術によって解決される各問題及び全ての問題に必ずしも対処する必要はない。「手段」又は「ステップ」という用語が使用されていない限り、米国特許法第１１２条第６項を行使する意図はない。さらに、本明細書の実施形態、特徴、構成要素、又はステップは、その実施形態、特徴、構成要素、又はステップが請求項に列挙されているかどうかに拘わらず、公に捧げることを意図していない。

Claims (15)

1. コアを有する光ファイバを位置合わせするデータ処理システムであって、前記コアは、該コアに沿った繰返しパターンを有するように、前記コアに沿って刻まれた、近接した間隔の複数の光学格子を含み、当該データ処理システムは、
   所定の基準反射データ及び測定反射データを記憶するように構成されたメモリ装置であって、前記測定反射データは、前記コアから受光した散乱反射に対応する干渉パターンから検出されるデータである、メモリ装置と、
   該メモリ装置に結合されたデータ処理回路と、を有しており、
   該データ処理回路は、
   前記繰返しパターンによる反射に対応する情報を前記測定反射データから減少又は除去して、フィルタ処理された測定データを生成し、
   該フィルタ処理された測定データの１つ又は複数の部分を前記基準反射データの１つ又は複数の部分と相関させて、複数の相関値を生成し、
   該複数の相関値のうちの最大の相関値を決定し、
   該最大の相関値に対応する前記コアに沿った位置を特定するように構成される、
   データ処理システム。
2. 前記データ処理回路は、前記繰返しパターンに起因する反射に対応する情報を前記基準反射データから減少又は除去して、フィルタ処理された基準データを生成するようにさらに構成され、
   前記データ処理回路は、前記フィルタ処理された測定データの前記１つ又は複数の部分を前記基準反射データの前記１つ又は複数の部分と相関させて、
   該フィルタ処理された測定データの選択されたセグメントのセットを、前記フィルタ処理された基準データの選択されたセグメントと相関させて、前記複数の相関値を生成する、又は前記フィルタ処理された測定データの選択されたセグメントを、前記フィルタ処理された基準データの選択されたセグメントのセットと相関させて、前記複数の相関値を生成する、ことにより、前記複数の相関値を生成するように構成される、請求項１に記載のデータ処理システム。
3. 前記フィルタ処理された測定データは、前記複数の光学格子の隣接する光学格子同士の間のコアセグメントについて検出されたレイリー散乱データと、前記複数の光学格子の重なり合う光学格子に対応するコアセグメントについて検出された反射データと、の少なくとも一方を含む、請求項１又は２に記載のデータ処理システム。
4. 前記複数の光学格子からの反射が中心波長を有しており、前記データ処理回路は、前記中心波長に対応するスペクトルピークに関する情報を前記測定反射データから減少又は除去して、前記フィルタ処理された測定データを生成するようにさらに構成される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のデータ処理システム。
5. 前記光ファイバは、複数の螺旋状コアを含み、該複数の螺旋状コアの各コアは、各コアに沿って刻まれた、近接した間隔の複数の光学格子を含み、前記データ処理回路は、前記複数の螺旋状コアの外側のコアに対応する反射格子スペクトルを中心波長に戻すように圧縮するようにさらに構成される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のデータ処理システム。
6. 前記データ処理回路は、前記基準反射データのサイズを前記測定反射データのサイズに縮小するようにさらに構成される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のデータ処理システム。
7. 前記データ処理回路は、探索範囲内に第１の解像度を有するインデックス増分だけ、前記フィルタ処理された測定データの前記１つ又は複数の部分を増分的に変更するようにさらに構成され、前記データ処理回路は、隣接するインデックス同士の間を補間して、より細かい解像度を実現するように構成される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のデータ処理システム。
8. 前記データ処理回路は、複数の相関値の放物線近似を決定し、該放物線近似を用いて前記最大の相関値に対応する前記コアに沿った前記位置を決定する、ことにより、前記フィルタ処理された測定データの前記１つ又は複数の部分を前記基準反射データの前記１つ又は複数の部分と相関させるように構成される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のデータ処理システム。
9. 前記データ処理回路は、データの複数のセットを平均して、前記測定反射データを決定するように構成される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のデータ処理システム。
10. 前記相関値のいずれもが閾値を超えない場合に、前記データ処理回路は、前記光ファイバが前記基準反射データと一致しないと判定するように構成される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のデータ処理システム。
11. 前記データ処理回路は、前記複数の相関値に基づいて複数の異なる光ファイバから前記光ファイバを特定する、又は前記複数の相関値に基づいて、光ファイバが干渉測定システムに接続されているかどうかを特定する、又は前記光ファイバについて検出された反射信号レベルとノイズフロアとの比較に基づいて、干渉測定システムへの光ファイバの望ましくない接続を検出する、ようにさらに構成される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のデータ処理システム。
12. コアを有する光ファイバを位置合せする方法であって、前記コアは、該コア内に繰返しパターンを有するように、前記コアに沿って刻まれた、近接した間隔の複数の光学格子を含み、当該方法は、
    前記コアから受光した散乱反射に対応する干渉パターンを検出するステップと、
    前記干渉パターンから測定反射データを決定するステップと、
    前記コア内の繰返しパターンによる反射に対応する情報を前記測定反射データから減少又は除去させて、フィルタ処理された測定データを生成するステップと、
    前記フィルタ処理された測定データの１つ又は複数の部分を所定の基準反射データの１つ又は複数の部分と相関させて、複数の相関値を生成するステップと、
    前記複数の相関値のうちの最大の相関値を決定するステップと、
    前記最大の相関値に対応する前記コアに沿った位置を特定するステップと、を含む、
    方法。
13. 前記複数の光学格子内の前記繰返しパターンに起因する反射に対応する情報を前記基準反射データから減少又は除去して、フィルタ処理された基準データを生成するステップと、
    前記フィルタ処理された測定データの選択されたセグメントのセットを、前記フィルタ処理された基準データの選択されたセグメントと相関させて、前記複数の相関値を生成する、又は前記フィルタ処理された測定データの選択されたセグメントを、前記フィルタ処理された基準データの選択されたセグメントのセットと相関させて、前記複数の相関値を生成するステップと、をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記光学格子からの反射が中心波長を有しており、前記光ファイバは、複数の螺旋状コアを含み、当該方法は、
    前記中心波長に対応するスペクトルピークに関する情報を前記測定反射データから減少又は除去して、前記フィルタ処理された測定データを生成するステップと、
    前記複数の螺旋状コアの外側のコアに対応する反射格子スペクトルを前記中心波長に戻すように圧縮するステップと、をさらに含む、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 前記相関値が閾値を超える場合に、前記光ファイバが前記基準反射データと一致しないと判定するステップ、又は
    前記複数の相関値に基づいて、複数の異なる光ファイバから前記光ファイバを特定するステップ、又は
    前記複数の相関値に基づいて、光ファイバが干渉測定システムに接続されているかどうかを特定するステップ、又は
    前記光ファイバについて検出された反射信号レベルとノイズフロアとの比較に基づいて、干渉測定システムへの光ファイバの望ましくない接続を検出するステップ、をさらに含む、請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の方法。

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