KR101064298B1

KR101064298B1 - 위상 생성 반송파를 갖는 광섬유 센서 어레이에서의 위상 신호의 계산 방법

Info

Publication number: KR101064298B1
Application number: KR1020067000393A
Authority: KR
Inventors: 다비드 비. 할
Original assignee: 노스롭 그루만 시스템즈 코퍼레이션
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2011-09-14
Also published as: EP1642092A1; JP2007527518A; JP5053633B2; WO2005010466A1; US20050008278A1; NO20060635L; CA2534205A1; KR20070017090A; EP1642092B1; US7012245B2

Abstract

센서 어레이는 위상 생성 반송파를 포함하는 광 신호 상에서 시변 위상각(φ)을 유도하기 위한 파라미터를 이용한다. 상기 위상각(φ)은 4개의 샘플만을 이용하여 계산되며, 여기서 상기 모든 4개의 샘플은 광 신호에 기초한다.

Description

위상 생성 반송파를 갖는 광섬유 센서 어레이에서의 위상 신호의 계산 방법 {METHOD FOR CALCULATION OF A PHASE SIGNAL IN A FIBER OPTIC SENSOR ARRAY WITH A PHASE GENERATED CARRIER}

미국 정부는 미 해군성에 의해 재정된 계약 번호 N00024-02-C-6305에 따라 본 발명의 권리를 갖는다.

본 발명은 일반적으로 신호 처리에 관한 것으로, 더 구체적으로 광섬유 센서 어레이로부터의 신호 복조에 관한 것이다.

시분할 멀티플렉싱("TDM") 시스템의 광섬유 센서 어레이는, 예를 들어 음향 진동, 유압 변동, 가속, 및 자계 세기와 같은 파라미터에서의 변화를 측정하는데 종종 사용된다. 광섬유 센서 어레이는 일정한 샘플링율로 파라미터에서의 변화를 측정하기 위해 주기(T)를 갖는 위상 생성 반송파를 이용한다. 광섬유 센서 어레이는 파라미터와 연관된 위상각을 광의 출력 펄스상의 진폭 변동으로 변환한다.

위상각은 출력 펄스의 다양한 복조 기술을 통해 측정된다. 기존의 복조 기술은 출력 펄스의 직교 성분(Q) 및 동위상 성분(I)을 이용한다. 직교 성분(Q)은 위상각의 사인에 대응하고, 동위상 성분(I)은 위상각의 코사인에 대응한다. 비율(Q/I)의 아크탄젠트는 위상각과 동일하다. 그 다음에, 파라미터에서의 변화의 크기는 위 상각에서의 변화로부터 계산될 수 있다.

직교 성분(Q) 및 동위상 성분(I)의 계산은 위상 생성 반송파의 특정 간격에서 출력 펄스의 다수의 샘플을 필요로 한다. 위상 생성 반송파는 출력 펄스의 주기보다 상당히 더 긴 주기를 포함한다. 위상 생성 반송파의 더 긴 주기는 위상 생성 반송파의 각 필요한 간격을 얻기 위해 샘플이 여러 출력 펄스를 스패닝(span)하는 것을 필요로 한다. 처리량에서의 증가를 촉진시키기 위해 위상각의 계산 속도를 증가시키는 것이 바람직하다. 일정한 샘플링율을 위해, 필요한 샘플의 수는 위상각의 계산 속도를 증가시키기 위해 감소되어야 한다.

따라서, 위상 생성 반송파를 이용하는 광섬유 센서 어레이의 복조 기술을 위해 필요한 샘플의 감소된 수가 필요하다.

일실시예에서 본 발명은 방법을 포함한다. 센서 어레이는 위상 생성 반송파를 포함하는 광 신호 상에서 시변 위상각(φ)을 유도하기 위한 파라미터를 이용한다. 위상각(φ)은 모든 4개의 샘플이 광 신호에 기초하는, 4개의 샘플만을 이용하여 계산된다.

본 발명의 다른 실시예는 장치를 포함한다. 센서 어레이는 위상 생성 반송파를 포함하는 광 신호 상에서 시변 위상각(φ)을 유도하기 위한 파라미터를 이용한다. 상기 장치는 모든 4개의 샘플이 광 신호에 기초하는, 위상각(φ)을 계산하기 위해 4개의 샘플만을 이용하는 프로세서 구성요소를 포함한다.

본 발명의 추가 실시예는 물품을 포함한다. 센서 어레이는 위상 생성 반송파를 포함하는 광 신호 상에서 시변 위상각(φ)을 유도하기 위한 파라미터를 이용한다. 상기 물품은 하나 이상의 컴퓨터-판독가능 신호-지지 매체를 포함한다. 상기 물품은 모든 4개의 샘플이 광 신호에 기초하는, 4개의 샘플만을 이용하여 위상각(φ)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체 내의 수단을 포함한다.

본 발명의 예시적인 구현의 특징은 상세한 설명, 청구항, 및 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.

도 1은, 광 신호로부터 4개의 샘플만을 이용하여 위상각(φ)을 계산하기 위해 하나 이상의 레이저, 하나 이상의 광 스위치, 하나 이상의 위상 변조기, 하나 이상의 센서 어레이, 하나 이상의 광 수신기, 하나 이상의 프로세서 구성요소를 포함하는 장치의 하나의 예시적인 구현을 도시한 도면.

도 2는, 이전 설계를 위해 비율{R(M,β)}의 외형 플롯(contour plot)을 도시한 도면.

도 3은 도 1의 구현을 위해 비율{R(M,β)}의 하나의 예시적인 외형 플롯을 도시한 도면.

도 4는 도 1의 구현을 위해 비율{R(M,β)}의 다른 예시적인 외형 플롯을 도시한 도면.

도 5는 도 2의 이전의 설계에 대해 비율{R(M,β)}의 외형 플롯 및 전체 고조파 왜곡을 도시한 도면.

도 6은 도 3의 비율{R(M,β)}의 예시적인 외형 플롯, 및 도 3의 구현에 대해 전체 고조파 왜곡을 도시한 도면.

도 7은 도 4의 비율{R(M,β)}의 예시적인 외형 플롯, 및 도 4의 구현에 대해 전체 고조파 왜곡을 도시한 도면.

도 1을 참조하면, 일례에서 장치(100)는 컴퓨터 소프트웨어 및/또는 하드웨어 구성요소와 같은 복수의 구성요소를 포함한다. 그러한 다수의 구성요소는 장치(100)에 결합되거나 분리될 수 있다. 장치(100)의 예시적인 구성요소는 당업자에게 인식되는 바와 같이, 다수의 프로그래밍 언어 중 임의의 프로그래밍 언어로 기록되거나 구현된 한 세트 및/또는 일련의 컴퓨터 지령을 이용 및/또는 포함한다.

도 1을 참조하면, 일례에서 장치(100)는 하나 이상의 레이저(102), 하나 이상의 광 스위치(104), 하나 이상의 위상 변조기(106), 하나 이상의 센서 어레이(108), 하나 이상의 광 수신기(110), 및 하나 이상의 프로세서 구성요소(112)를 포함한다. 일례에서, 장치(100)는 본 명세서에 설명되는 바와 같이, 파라미터에서의 변화를 측정하기 위해 광 신호를 복조한다. 일례에서 레이저(102)는 연속파 레이저를 포함한다. 레이저(102)는 광 신호를 생성하여, 광 스위치(104) 및 위상 변조기(106)를 통해 센서 어레이(108)로 송신한다.

일례에서 광 스위치(104)는 시분할 멀티플렉싱(TDM) 스위치를 포함한다. 광 스위치(104)는, 광 신호가 광 펄스 스트림을 포함하도록 광 신호를 게이팅(gate)한다. 위상 변조기(106)는 광 펄스 스트림 상에 위상 생성 캐리어(PGC: Phase Generated Carrier)(114)를 입력시킨다(impresses). 예를 들어, 레이저(102), 광 스위치(104), 및 위상 변조기(106)는 당업자가 이해하는 바와 같이, 위상 생성 반송파(114)를 포함하는 하나 이상의 광 펄스(116)를 생성하도록 협력한다. 광 펄스(116)는 주기(T_pulse)를 포함한다. 일례에서 주기(T_pulse)는 대략 100ns와 1000ns 사이에 있다. 일례에서 위상 생성 반송파(114)는 주기(T_pgc) 및 M의 변조 깊이를 포함한다. 주기(T_pgc)는 당업자가 이해하는 바와 같이, 주파수와의 관계(f_pgc=1/T_pgc)를 포함한다. 일례에서 주파수(f_pgc)는 대략 20MHz와 100MHz 사이에 있다. 위상 생성 반송파(114)는 복조 위상 오프셋(β)과 연관된다. 위상 생성 반송파(114)는

와 같은 시변 위상각을 생성한다.

일례에서 센서 어레이(108)는 부정합된 경로 간섭계(mismatched path interferometer)와 같은 하나 이상의 센서(124, 126, 128)를 포함한다. 센서 어레이(108)는 광 펄스(116)를 하나 이상의 광 펄스(118, 120, 122), 예를 들어 센서당 하나의 펄스로 분리한다. 일례에서 광 펄스(116, 118, 120, 122)는 실질적으로 동일하다. 센서 어레이(108)의 센서(124, 126 및 128)는 각각 광 펄스(118, 120, 122)를 수신한다. 일례에서 센서 어레이(108)의 센서(124, 126, 128)는 하나 이상의 각 간섭 펄스(130, 132, 134)를 생성하기 위해 하나 이상의 파라미터 및 광 펄스(118, 120, 122)를 이용한다. 예시적인 파라미터는 음향 진동, 유압 변동, 가속, 및 자계 세기를 포함한다. 예를 들어, 센서(124)는 광 펄스(118)를 제 1 부분 및 제 2 부분으로 분리한다. 센서(124)는 광 펄스(118)의 제 2 부분에 대해 광 펄스 (118)의 제 1 부분 상의 시변 위상각(φ)을 유도하기 위한 파라미터를 이용한다. 센서(124)는 간섭 펄스(130)를 생성하기 위해 광 펄스(118)의 제 1 부분을 광 펄스(124)의 제 2 부분과 재결합한다. 간섭 펄스(130)의 시변 진폭 변동은 광 펄스(118)의 제 1 부분과 제 2 부분 사이의 시변 위상각(φ)을 나타낸다.

광 펄스(116)는, 간섭 펄스(130, 132, 134)가 본 명세서에 설명된 바와 같이 예를 들어 높은 듀티 사이클과 같은 비교적 작은 간격(spacing)을 포함하도록 중간 간격(intermediary spacing)을 포함한다. 간섭 펄스(130, 132, 134)는 광 펄스(116)의 주기(T_pulse)와 실질적으로 동일한 주기를 포함한다. 센서 어레이(108)는 예를 들어 직렬 방식으로 펄스 트레인(136)에서 간섭 펄스(130, 132, 134)를 광 수신기(110)로 송신한다. 예를 들어, 광 펄스 트레인(136)은 간섭 펄스(130, 132, 134)를 포함한다.

일례에서 광 수신기(110)는 하나 이상의 광다이오드(138)를 포함한다. 다른 예에서, 광 수신기(110)는 트랜스임피던스 증폭기(140)를 포함한다. 일례에서 광 수신기(110)는, Litton Systems Inc.에게 양도되고 1996년 5월 10일에 허여된 Hall의 미국 특허 번호 5,852,507에 개시된 편광 다이버시티 수신기 시스템을 포함한다. 광 수신기(110)는 광 펄스 트레인(136)을 수신한다. 그 다음에, 광 수신기(110)는 광 펄스 트레인(136)으로부터 간섭 펄스(130, 132, 134)를 나타내는 하나 이상의 각 아날로그 전기 신호를 생성한다. 예를 들어, 광 수신기(110)는 광 펄스 트레인(136)의 전력 크기를 전압 신호로 변환한다.

일례에서 프로세서 구성요소(112)는 디지털 신호 프로세서를 포함한다. 다른 예에서, 프로세서 구성요소(112)는 아날로그-디지털 변환기 구성요소(142)를 포함한다. 일례에서 프로세서 구성요소(112)는 본 명세서에 설명된 바와 같이, 컴퓨터-판독가능 신호-지지 매체(144)의 예를 포함한다. 아날로그-디지털 변환기 구성요소(142)는 광 수신기(110)로부터의 아날로그 전기 신호를 디지털 신호로 변환한다. 일례로 프로세서 구성요소(112)는 시변 위상각(φ)을 계산하기 위해 간섭 펄스(130, 132, 134)의 시변 진폭 변동을 이용함으로써 파라미터에서의 변화를 감지하도록 한다.

상기 장치(100)의 예시적인 동작에 대한 예시적인 설명은 설명을 위해 제공된다. 레이저(102), 광 스위치(104), 및 위상 변조기(106)는 하나 이상의 광 펄스(116)를 생성하도록 협력한다. 센서 어레이(108)는 광 펄스(116)를 광 펄스(118, 120, 122)로 분할한다. 센서(124, 126, 128)는 간섭 펄스(130, 132, 134)를 생성하기 위해 파라미터 및 광 펄스(118, 120, 122)를 이용한다. 센서 어레이(108)는 광 펄스 트레인(136)으로서 간섭 펄스(130, 132, 134)를 광 수신기(110)로 송신한다.

광 수신기(110)는 하나 이상의 간섭 펄스(130, 132, 134)를 나타내는 아날로그 전기 신호를 생성한다. 예를 들어, 아날로그 전기 신호는 s(t, M, β, φ)로서 정의된다:

여기서 A는 평균 신호 레벨이고, B는 간섭 항 신호 레벨이고, M은 변조 깊이 이고, T_pgc는 위상 생성 반송파의 주기이고, β는 복조 위상 오프셋이고, φ는 위상각이다. s(t, M, β, φ)의 위상각은, 당업자가 이해하는 바와 같이 위상 생성 반송파로 인한 제 1 부분{

}과, 파라미터로 인한 제 2 부분(φ)을 포함한다.

일례로 아날로그-디지털 변환기 구성요소(142)는 광 수신기(110)로부터의 아날로그 전기 신호를 간섭 펄스(130)를 나타내는 디지털 신호로 변환한다. 프로세서 구성요소(112)는 디지털 신호로부터 간섭 펄스(130)의 4개의 샘플만을 얻는다. 예를 들어, 4개의 샘플은 샘플(S₀, S₁, S₂, S₃)을 포함한다. 프로세서 구성요소(112)는 주기(T_s)에 걸쳐 시간 간격(△t)에서 4개의 샘플을 얻는다. 일례로 주기(T_s)는 위상 생성 반송파(114)의 주기(T_pgc)와 실질적으로 동일하다. 시간 간격(△t)은 T_pgc/4와 같다. 예를 들어 4개의 샘플은 t₀, t₀+△t, t₀+2△t, t₀+3△t에서의 샘플을 포함한다.

프로세서 구성요소(112)는 동위상 항(I)을 계산하기 위해 4개의 샘플 중 하나 이상을 이용한다. 예를 들어, 프로세서 구성요소(112)는 동위상 항(I): I₀=(S₀+S₂)-(S₁+S₃)을 계산한다.

프로세서 구성요소(112)는 동위상 항(I)의 피크값(I_p)을 계산한다. 예를 들어, 프로세서 구성요소(112)는 피크값(I_p)을 계산한다:

.

프로세서 구성요소(112)는 직교 항(Q)을 계산하기 위해 4개의 샘플 중 하나 이상을 이용한다. 일례로, 프로세서 구성요소(112)는 직교 항(Q)을 계산한다:

Q=-(S₀-S₂).

다른 예에서, 프로세서 구성요소(112)는 직교 항(Q)을 계산한다:

Q=-2ㆍ(S₀-S₂).

프로세서 구성요소(112)는 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 계산한다. Q=-(S₀-S₂)인 일례에서, 프로세서 구성요소(112)는 피크값(Q_p)을 계산한다:

Q_p(M,β)=2ㆍBㆍsin(Mㆍsinβ).

Q=-2ㆍ(S₀-S₂)인 다른 예에서, 프로세서 구성요소(112)는 피크값(Q_p)을 계산한다:

Q_p(M,β)=4ㆍBㆍsin(Mㆍsinβ).

위상각(φ)은 Q/I=R(M,β)ㆍtanφ로 주어지며, 여기서 비율{R(M,β)}은 당업자가 인식하는 바와 같이 Q_p/I_p와 같다.

일례에서 비율{R(M,β)}은 동작점(operating point)에 대해 타원 리사저스 패턴(elliptical Lissajous pattern)의 주 축의 비율을 나타낸다. 일례에서 동작점은 변조 깊이(M)의 값 및 복조 위상 오프셋(β)의 값을 포함한다. 일례로 프로세서 구성요소(112)는, 비율{R(M,β)}이 1과 실질적으로 같도록 변조 깊이(M) 및 복조 위상 오프셋(β)에 대한 값을 계산하여, 위상각(φ)의 계산 정확도에서의 증가를 촉진시킨다. Q=-(S₀-S₂)인 일례에서, 프로세서 구성요소(112)는 본 명세서에 설명된 바와 같이 동작점의 위상 오프셋(β)을 계산하기 위해 변조 깊이(M)에 대한 2.75 라디안의 값을 이용한다. Q=-2ㆍ(S₀-S₂)인 다른 예에서, 프로세서 구성요소(112)는 본 명세서에 설명된 바와 같이 동작점의 위상 오프셋(β)을 계산하기 위해 변조 깊이(M)에 대한 2.49 라디안의 값을 이용한다.

일례로 프로세서 구성요소(112)는 위상각(φ)을 계산하기 위해 동위상 항(I) 및 직교 항(Q)을 이용한다. 예를 들어, 동작점 근처에서, 비율{R(M,β)}은 1과 실질적으로 동일하고, 프로세서 구성요소(112)는 위상각(φ)을 계산한다: φ=arctangent(Q/I).

일례로 프로세서 구성요소(112)는 센서(124, 126, 및 128)에 의해 이용된 파라미터에서의 변화를 결정하기 위해 간섭 펄스(130, 132, 134)의 다수의 경우 사이에서 위상각(φ)에서의 변화를 이용한다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 외형 플롯(202, 302, 402)은 각각 이전 설계를 위해 비율{R(M,β)}의 표현, 도 1의 제 1 구현, 및 도 1의 장치의 제 2 구현을 포함한다. 외형 라인은 비율(Q/I) 대 변조 깊이(M) 및 변조 위상 오프셋(β)을 나타낸다. 외형 라인(204, 304, 404)은, R(M,β)의 값이 1(100%)과 같은 복조 위상 오프셋(φ) 및 변조 깊이(M)에 대한 값을 나타낸다. 변조 깊이(M)는 당업자가 인식하 는 바와 같이 변조 깊이(M)에 대한 민감도에서의 감소를 촉진시키도록 계산된다. 예를 들어, 외형 라인(204, 304, 및/또는 404)의 경사가 0에 도달한 경우, 비율{R(M,β)}은 변조 깊이(M)에 대해 가장 적게 민감하다.

위상각(φ)의 계산의 정확도는 직교 항(Q) 및 동위상 항(I)의 최대 진폭과의 관계를 포함한다. 예를 들어, 동작점에서, 비율{R(M,β)}은 1과 같고, 피크값(Q_p) 및 피크값(I_p)은 실질적으로 동일하다.

도 2를 참조하면, 외형 플롯(202)은 6개의 샘플을 이용하는 이전 설계에 대한 비율{R(M,β)}의 표시를 포함한다. 외형 라인(204)은 비율{R(M,β)}에 대해 "100%"의 값을 포함한다. 외형 라인(204)은 대략 3.25 라디안의 변조 깊이(M)에서 0에 도달한다. 복조 위상 오프셋(β)의 대응 값은 0.2914 라디안이다. 이전 설계에 대한 공통 동작점은 3.14 라디안의 변조 깊이(M) 및 0.2908의 복조 위상 오프셋(β)을 포함한다. 6개의 샘플 중 4개는 Q를 계산하는데 사용되고, 6개의 샘플 중 4개는 I를 계산하는데 사용된다. 직교 항(Q) 및 동위상 항(I)에 대한 최대 진폭은, B가 간섭 항 신호 레벨인 경우에 4×B와 같다. 동작점에서, 직교 항(Q) 및 동위상 항의 진폭은 다음과 같다:

Q_p(π,0.2908)=I_p(π,0.2908)=3.24×B.

도 3을 참조하면, 외형 플롯(302)은, Q=-(S₀-S₂)인 도 1의 장치의 예시적인 구현에 대한 비율{R(M,β)}의 예시적인 표시를 포함한다. 외형 라인(304)은 비율{R(M,β)}에 대해 "100%"의 값을 포함한다. 일례로 프로세서 구성요소(112)는 대략 2.75 라디안과 같은 변조 깊이(M)를 계산하여, 외형 라인(304)의 경사는 0에 도달한다. 추가 예에서 프로세서 구성요소(112)는 대략 0.5073 라디안과 같은 복조 위상 오프셋(β)의 대응 값을 계산한다. 동작점에서, I_p는 Q_p와 실질적으로 동일하다. 예를 들어,

그러므로, 최대 진폭은 당업자가 이해하는 바와 같이 2×B와 같다. 동작점에서, Q_p(2.75, 0.5073)=I_p(2.75, 0.5073)=1.97×B이다.

도 4를 참조하면, 외형 플롯(402)은, Q=-2ㆍ(S₀-S₂)인, 도 1의 장치의 다른 예시적인 구현을 위해 비율{R(M,β)}의 예시적인 표시를 포함한다. 외형 라인(404)은 비율{R(M,β)}에 대한 "100%"의 값을 포함한다. 일례로 프로세서 구성요소(112)는 2.49 라디안과 대략 동일한 변조 깊이(M)를 계산하여, 외형 라인(404)의 경사는 0에 도달한다. 추가 예에서 프로세서 구성요소(112)는 0.3218 라디안과 대략 동일한 복조 위상 오프셋(β)의 대응 값을 계산한다. 동작점에서, I_p는 Q_p와 실질적으로 동일하다. 예를 들어,

그러므로, 최대 진폭은 당업자가 인식하는 바와 같이 4×B와 같다. 동작점에서, Q_p(2.49, 0.3218)=I_p(2.49, 0.3218)=2.83×B.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 각 동작점의 변조 깊이(M)는 위상 생성 반송파 의 구동 전압과의 관계를 포함한다. 하부 구동 전압은 당업자가 인식하는 바와 같이 위상 생성 반송파의 전력 소모에서의 감소를 촉진시킨다. 도 3의 구현의 변조 깊이는 도 2의 이전 설계의 변조 깊이의 88%이다. 도 4의 구현의 변조 깊이는 도 2의 이전 설계의 변조 깊이의 79%이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 외형 플롯(502, 602, 702)은, 총 고조파 왜곡의 레벨로 각각 외형 플롯(202, 302, 402)의 예시적인 표시를 포함한다. 외형 라인(504, 604, 704)은 R(M,β)이 "99%"와 같은 외형 라인을 포함한다. 외형 라인(506, 606, 706)은 R(M,β)이 "99.5%"와 같은 경우에 외형 라인을 포함한다. 외형 라인(508, 608, 708)은 R(M,β)이 "100%"과 같은 경우에 외형 라인을 포함한다. 외형 라인(510, 610, 710)은 R(M,β)이 "100.5%"와 같은 외형 라인을 포함한다. 외형 라인(512, 612, 712)은 R(M,β)이 "101%"과 같은 경우에 외형 라인을 포함한다. 전체 고조파 왜곡은 φ=arctangent(Q/I)의 계산에서 위상각(φ) 상의 해닝 필터(Hanning filter)를 이용하여 평가된다. π와 같은 피크간(peak-to-peak) 진폭을 갖는 톤(tone)은 전체 고조파 왜곡을 평가하는데 사용된다. 예를 들어:

φ(t)=π/2 sin(2ㆍπㆍf_toneㆍt+α)+φ_dc

여기서 f_tone는 톤의 주파수를 포함하고, α는 톤 오프셋 위상 시프트를 포함하고, φ_dc는 톤의 비-교류 위상각을 포함한다. 2번째 내지 10번째의 전체 고조파 왜곡은, 전체 고조파 왜곡이 최소가 되는, 도 2 내지 도 4의 φ의 계산에 대한 동작점에서 평가된다.

도 5를 참조하면, 외형 플롯(502)은 도 2의 비율{R(M,β)}의 표시를 포함한다. 주파수(f_pgc)는 24.576kHz와 같고, f_tone은 96Hz와 같다. 4096개의 샘플은 166.67 ms의 주기에 걸쳐 취해진다. 외형 라인(504, 506, 508, 510, 512)에 대한 전체 고조파 왜곡에 대한 값은 각각 -49 dB, -54 dB, -59 dB, -54 dB, 및 -49 dB을 포함한다.

도 6을 참조하면, 외형 플롯(602)은 도 3의 비율{R(M,β)}의 표시를 포함한다. 주파수(f_pgc)는 36.864kHz와 같고, f_tone은 99Hz와 같다. 4096개의 샘플은 111.11 ms의 주기에 걸쳐 취해진다. 외형 라인(604, 606, 608, 610, 612)에 대한 전체 고조파 왜곡에 대한 값은 각각 -49 dB, -53 dB, -57 dB, -53 dB, 및 -49 dB을 포함한다.

도 7을 참조하면, 외형 플롯(702)은 도 4의 비율{R(M,β)}의 표시를 포함한다. 주파수(f_pgc)는 36.864kHz와 같고, f_tone은 99Hz와 같다. 4096개의 샘플은 111.11 ms의 주기에 걸쳐 취해진다. 외형 라인(704, 706, 708, 710, 712)에 대한 전체 고조파 왜곡에 대한 값은 각각 -49 dB, -53 dB, -56 dB, -53 dB, 및 -49 dB을 포함한다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 위상각(φ)의 계산의 정확도는, 외형(100)과 외형(100.5) 사이에서 변조 깊이(M)에서의 최소 수평 시프트 및 복조 위상 오프셋(β)에서의 최소 수직 시프트와의 관계를 더 포함한다. 도 5의 계산은 0.095 라디안의 변조 깊이(M)에서의 시프트 및 0.0015 라디안의 복조 위상 오프셋(β)에서의 시 프트를 포함한다. 도 6의 계산은 0.16 라디안의 변조 깊이(M)에서의 시프트 및 0.0013 라디안의 복조 위상 오프셋(β)에서의 시프트를 포함한다. 도 7의 계산은 0.16 라디안의 변조 깊이(M)에서의 시프트 및 0.0013 라디안의 복조 위상 오프셋(β)에서의 시프트를 포함한다.

도 2 및 도 5의 이전 설계 및 도 3, 도 4, 도 6, 도 7의 예시적인 구현에 대해 위상각(φ)의 계산의 정확도는 유사한 정확도를 포함한다. 일례로 프로세서 구성요소(112)는 위상각(φ)의 계산 속도에서의 증가를 촉진시키기 위해 6개의 샘플에 비해 4개의 샘플만을 이용한다. 예를 들어, 프로세서 구성요소(112)는 이전 설계보다 50% 더 빠르게 위상각(φ)을 계산한다. 샘플링율에서의 증가는 당업자가 인식하는 바와 같이 위상 생성 반송파의 주파수(f_pgc)에서의 증가를 허용한다.

일례로 장치(100)는 하나 이상의 컴퓨터-판독가능 신호-지지 매체를 이용한다. 장치(100)에 대한 예시적인 컴퓨터-판독가능 신호-지지 매체는 프로세서 구성요소(112)의 리코딩가능 데이터 저장 매체(144)를 포함한다. 예를 들어, 장치(100)에 대한 컴퓨터-판독가능 신호-지지 매체는 자기, 전기, 광학, 생물학, 및 원자 데이터 저장 매체 중 하나 이상을 포함한다. 일례로, 컴퓨터-판독가능 신호-지지 매체는, 장치(100)를 포함하거나 이 장치에 결합된 네트워크, 예를 들어 전화 네트워크, 근거리 네트워크(LAN), 인터넷 및 무선 네트워크 중 하나 이상을 통해 송신된 변조된 반송파 신호를 포함한다.

본 명세서에 기재된 단계 또는 동작은 단지 예시에 불과하다. 본 발명의 사 상에서 벗어나지 않고도 이들 단계 또는 동작에 대한 많은 변경이 있을 수 있다. 예를 들어, 단계는 상이한 순서로 수행될 수 있거나, 단계는 추가, 삭제, 또는 변형될 수 있다.

본 발명의 예시적인 구현이 본 명세서에 구체적으로 예시되고 설명되었지만, 다양한 변형, 추가, 교체 등이 본 발명의 사상에서 벗어나지 않고도 이루어질 수 있으므로, 이들이 다음 청구항에서 한정된 바와 같이 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 고려된다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 일반적으로 신호 처리에 관한 것으로, 더 구체적으로 광섬유 센서 어레이로부터의 신호 복조 등에 이용된다.

Claims

위상 생성 반송파를 포함하는 광 신호 상에서 시변 위상각(φ)을 유도하기 위한 파라미터를 이용하는 센서 어레이 방법으로서,

상기 광 신호에 기초하는 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하여 직교 항(Q)을 계산하는 단계와;

상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 계산하는 단계와;

상기 광 신호에 기초하는 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하여 동위상 항(I)을 계산하는 단계와;

상기 동위상 항(I)의 피크값(I_p):
을 계산하는 단계로서, M은 상기 위상 생성 반송파의 변조 깊이(modulation depth)고, β는 상기 위상 생성 반송파의 복조 위상 오프셋(demodulation phase offset)인, 상기 동위상 항(I)의 피크값(I_p)을 계산하는 단계와;

상기 동위상 항(I)의 피크값(I_p) 및 상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 이용하여 상기 위상 생성 반송파의 변조 깊이(M) 및 복조 위상 오프셋(β)을 포함하는 동작점(operating point)을 계산하는 단계와;

상기 광 신호에 기초하는 상기 직교 항(Q) 및 상기 동위상 항(I)을 이용하여 상기 위상각(φ)을 계산하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.
제 1항에 있어서, 상기 직교 항(Q) 및 상기 동위상 항(I)을 이용하여 상기 위상각(φ)을 계산하는 단계는,

상기 동작점에서 상기 직교 항(Q) 및 상기 동위상 항(I)을 이용하여 상기 위상각(φ)을 계산하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.
제 1항에 있어서, 상기 직교 항(Q) 및 상기 동위상 항(I)을 이용하여 상기 위상각(φ)을 계산하는 단계는,

상기 위상각(φ): φ=arctangent(Q/I)을 계산하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.
제 1항에 있어서, 상기 위상 생성 반송파는 주기(T_pgc)를 포함하고, 상기 센서 어레이 방법은,

상기 주기(T_pgc)의 동일한 경우로부터 상기 복수의 샘플을 얻기 위해 상기 센서 어레이로부터의 출력 신호를 샘플링하는 단계를

더 포함하는, 센서 어레이 방법.
제 4항에 있어서, 상기 복수의 샘플은 샘플(S₀, S₁, S₂, S₃)을 포함하고, 상기 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하여 동위상 항(I)을 계산하는 단계는,

상기 동위상 항(I): I=(S₀+S₂)-(S₁+S₃)을 계산하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.
제 5항에 있어서,

상기 광 신호에 기초하는 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하여 직교 항(Q)을 계산하는 단계는,

상기 직교 항(Q): Q=-2*(S₀-S₂)을 계산하는 단계

를 포함하고,

상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 계산하는 단계는,

상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p): Q_p(M,β)=4ㆍBㆍsin(Mㆍsinβ)을 계산하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.
제 5항에 있어서,

상기 광 신호에 기초하는 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하여 직교 항(Q)을 계산하는 단계는,

상기 직교 항(Q): Q=-(S₀-S₂)을 계산하는 단계를

포함하고,

상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 계산하는 단계는,

상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p): Q_p(M,β)=2ㆍBㆍsin(Mㆍsinβ)을 계산하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.
위상 생성 반송파를 포함하는 광 신호 상에서 시변 위상각(φ)을 유도하기 위한 파라미터를 이용하는 센서 어레이 방법으로서,

상기 광 신호에 기초하는 직교 항(Q)과 동위상 항(I)을 이용하여 상기 위상각(φ)을 계산하는 단계를 포함하고, 상기 위상 생성 반송파는 주기(T_pgc)를 포함하며,

상기 위상 어레이 방법은,

상기 주기(T_pgc)의 동일한 경우로부터 복수의 샘플을 얻기 위해 상기 센서 어레이로부터의 출력 신호를 샘플링하는 단계를

더 포함하고,

상기 직교 항(Q)과 동위상 항(I)을 이용하여 상기 위상각(φ)을 계산하는 단계는,

상기 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하여 동위상 항(I)을 계산하는 단계와;

상기 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하여 직교 항(Q)을 계산하는 단계와;

상기 직교 항(Q)과 동위상 항(I)을 이용하여 상기 위상각(φ)을 계산하는 단계를

포함하고,

상기 위상 어레이 방법은,

상기 동위상 항(I)의 피크값(I_p)을 계산하는 단계와;

상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 계산하는 단계와;

상기 동위상 항(I)의 피크값(I_p) 및 상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 이용하여 상기 위상 생성 반송파의 변조 깊이(M) 및 복조 위상 오프셋(β)을 포함하는 동작점을 계산하는 단계를

포함하고,

상기 복수의 샘플은 샘플(S₀, S₁, S₂, S₃)을 포함하고,

상기 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하여 동위상 항(I)을 계산하는 단계는,

상기 동위상 항(I): I=(S₀+S₂)-(S₁+S₃)을 계산하는 단계를

포함하고,

상기 동위상 항(I)의 피크값(I_p)을 계산하는 단계는,

상기 동위상 항(I)의 피크값(I_p):
을 계산하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.
제 8항에 있어서, 상기 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하여 직교 항(Q)을 계산하는 단계는,

상기 직교 항(Q): Q=-(S₀-S₂)을 계산하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.
제 9항에 있어서, 상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 계산하는 단계는,

상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p): Q_p(M,β)=2ㆍBㆍsin(Mㆍsinβ)을 계산하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.
제 10항에 있어서, 상기 동위상 항(I) 및 상기 직교 항(Q)을 이용하여 상기 위상각(φ)을 계산하는 단계는,

상기 위상각(φ): φ=arctangent(Q/I)을 계산하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.
제 8항에 있어서, 상기 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하여 직교 항(Q)을 계산하는 단계는,

상기 직교 항(Q): Q=-2*(S₀-S₂)을 계산하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.
제 12항에 있어서, 상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 계산하는 단계는,

상기 피크값(Q_p): Q_p(M,β)=4ㆍBㆍsin(Mㆍsinβ)을 계산하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.
제 13항에 있어서, 상기 동위상 항(I) 및 상기 직교 항(Q)을 이용하여 상기 위상각(φ)을 계산하는 단계는,

상기 위상각(φ): φ=arctangent(Q/I)을 계산하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.
위상 생성 반송파를 포함하는 광 신호 상에서 시변 위상각(φ)을 유도하기 위한 파라미터를 이용하는 센서 어레이 장치로서,

상기 센서 어레이 장치는, 프로세서 구성요소를 포함하고,

상기 프로세서 구성요소는,

동위상 항(I)을 계산하기 위해 상기 광 신호에 기초하는 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하고;

직교 항(Q)을 계산하기 위해 상기 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하고;

로서 상기 동위상 항(I)의 피크값(I_p)을 계산하고, 여기서 M은 상기 위상 생성 반송파의 변조 깊이고, β는 상기 위상 생성 반송파의 복조 위상 오프셋이고,

상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 계산하고;

상기 동위상 항(I)의 피크값(I_p) 및 상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 이용하여, 상기 위상 생성 반송파의 변조 깊이(M) 및 복조 위상 오프셋(β)을 포함하는 동작점을 계산하고;

상기 위상각(φ)을 계산하기 위해 상기 광 신호에 기초하는 상기 직교 항(Q) 및 상기 동위상 항(I)을 이용하는,

센서 어레이 장치.
제 15항에 있어서, 상기 위상 생성 반송파는 주기(T_pgc)를 포함하며, 상기 프로세서 구성요소는 상기 주기(T_pgc)의 동일한 경우 내에서 상기 센서 어레이로부터의 출력 신호로부터 상기 복수의 샘플을 얻는, 센서 어레이 장치.
제 16항에 있어서, 상기 프로세서 구성요소는 동작점에서의 상기 위상각(φ)을 계산하기 위해 상기 동위상 항(I) 및 상기 직교 항(Q)을 이용하는, 센서 어레이 장치.
제 16항에 있어서,

상기 복수의 샘플은 상기 광 신호에 기초하는 4개의 샘플을 포함하고,

상기 프로세서 구성요소는 상기 주기(T_pgc)의 동일한 경우 내에서 상기 센서 어레이로부터의 출력 신호로부터 상기 4개의 샘플을 얻는, 센서 어레이 장치.
제 16항에 있어서,

상기 복수의 샘플은 샘플(S₀, S₁, S₂, 및 S₃)을 포함하고;

상기 프로세서 구성요소는 상기 동위상(I): I=(S₀+S₂)-(S₁+S₃)를 계산하고;

상기 프로세서 구성요소는 상기 직교 항(Q): Q=-(S₀-S₂)을 계산하고;

상기 프로세서 구성요소는 상기 위상각(φ): φ=arctangent(Q/I)를 계산하는, 센서 어레이 장치.
제 19항에 있어서, 상기 프로세서 구성요소는 상기 피크값(Q_p): Q_p(M,β)=2ㆍBㆍsin(Mㆍsinβ)을 계산하는, 센서 어레이 장치.
제 20항에 있어서, 상기 프로세서 구성요소는 2.75 라디안과 동일한 변조 깊이를 포함하는 동작점을 계산하기 위해 상기 피크값(I_p) 및 상기 피크값(Q_p)을 이용하는, 센서 어레이 장치.
제 21항에 있어서, 상기 프로세서 구성요소는 0.5073 라디안과 동일한 복조 위상 오프셋을 포함하는 동작점을 계산하기 위해 상기 피크값(I_p) 및 상기 피크값(Q_p)을 이용하는, 센서 어레이 장치.
제 16항에 있어서, 상기 복수의 샘플은 샘플(S₀, S₁, S₂, 및 S₃)을 포함하고;

상기 프로세서 구성요소는 상기 동위상 항(I): I=(S₀+S₂)-(S₁+S₃)를 계산하고;

상기 프로세서 구성요소는 상기 직교 항(Q): Q=-2ㆍ(S₀-S₂)를 계산하고;

상기 프로세서 구성요소는 상기 위상각(φ): φ=arctangent(Q/I)을 계산하는, 센서 어레이 장치.
제 23항에 있어서, 상기 프로세서 구성요소는 상기 피크값(Q_p): Q_p(M,β)=4ㆍBㆍsin(Mㆍsinβ)을 계산하는, 센서 어레이 장치.
제 24항에 있어서, 상기 프로세서 구성요소는 2.49 라디안과 동일한 변조 깊이를 포함하는 동작점을 계산하기 위해 상기 피크값(I_p) 및 상기 피크값(Q_p)을 이용하는, 센서 어레이 장치.
제 25항에 있어서, 상기 프로세서 구성요소는 0.3218 라디안과 동일한 복조 위상 오프셋을 포함하는 동작점을 계산하기 위해 상기 피크값(I_p) 및 상기 피크값(Q_p)을 이용하는, 센서 어레이 장치.
위상 생성 반송파를 포함하는 광 신호 상에서 시변 위상각(φ)을 유도하기 위한 파라미터를 이용하는 센서 어레이 제품으로서,

하나 이상의 컴퓨터-판독가능 신호-포함 매체와;

상기 광 신호에 기초하는 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하여 직교 항(Q)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단과;

상기 광 신호에 기초하는 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하여 동위상 항(I)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단과;

로서 상기 동위상 항(I)의 피크값(I_p)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단으로서, 여기서 M은 상기 위상 생성 반송파의 변조 깊이고, β는 상기 위상 생성 반송파의 복조 위상 오프셋인, 상기 동위상 항(I)의 피크값(I_p)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단과;

상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단과;

상기 동위상 항(I)의 피크값(I_p) 및 상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 이용하여 상기 위상 생성 반송파의 변조 깊이(M) 및 복조 위상 오프셋(β)을 포함하는 동작점을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단과;

상기 광 신호에 기초하는 상기 직교 항(Q) 및 상기 동위상 항(I)을 이용하여 상기 위상각(φ)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단을

포함하는, 센서 어레이 제품.
제 27항에 있어서,

상기 복수의 샘플은 샘플(S₀, S₁, S₂, 및 S₃)을 포함하고,

상기 광 신호에 기초하는 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하여 직교 항(Q)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단은, 상기 직교 항(Q): Q=-(S₀-S₂)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단을 포함하고,

상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단은, 상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p): Q_p(M,β)=2ㆍBㆍsin(Mㆍsinβ)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단을 포함하는, 센서 어레이 제품.
제 28항에 있어서,

상기 복수의 샘플은 샘플(S₀, S₁, S₂, 및 S₃)을 포함하고,

상기 광 신호에 기초하는 복수의 샘플 중 하나 이상의 샘플을 이용하여 직교 항(Q)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단은, 상기 직교 항(Q): Q=-2ㆍ(S₀-S₂)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단을 포함하고,

상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단은, 상기 직교 항(Q)의 피크값(Q_p): Q_p(M,β)=4ㆍBㆍsin(Mㆍsinβ)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단을 포함하는, 센서 어레이 제품.
제 27항에 있어서, 상기 직교 항(Q) 및 상기 동위상 항(I)을 이용하여 상기 위상각(φ)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단은,

상기 동작점에서 상기 위상각(φ): φ=arctangent(Q/I)을 계산하기 위한 하나 이상의 매체에서의 수단을

포함하는, 센서 어레이 제품.
제 4항에 있어서, 상기 주기(T_pgc)의 동일한 경우로부터 상기 복수의 샘플을 얻기 위해 상기 센서 어레이로부터의 출력 신호를 샘플링하는 단계는,

상기 주기(T_pgc)의 동일한 경우로부터 4개의 샘플을 얻기 위해 상기 센서 어레이로부터의 출력 신호를 샘플링하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.
제 8항에 있어서, 상기 주기(T_pgc)의 동일한 경우로부터 상기 복수의 샘플을 얻기 위해 상기 센서 어레이로부터의 출력 신호를 샘플링하는 단계는,

상기 주기(T_pgc)의 동일한 경우로부터 4개의 샘플을 얻기 위해 상기 센서 어레이로부터의 출력 신호를 샘플링하는 단계를

포함하는, 센서 어레이 방법.