NO326064B1 - Fremgangsmate for a prosessere signaler fort ut fra en veilengdefeiltilpasset interferometrisk sensoroppstilling - Google Patents

Description

Kvadratursignaler Q og i-fase-signaler I ført ut fra en

veilengdefeiltilpasset interferometrisk

sensoroppstilling (10) normaliseres ved å sample

signalene for å fremskaffe et første sett av verdier

Qk=QoBkSin(<p>k, samsvarende med sinus til faseskiftet,

og et andre sett av verdier I^IoBkCOScpk samsvarende

med cosinus til faseskiftet, hvor k er en løpende indeks

i settet av påfølgende sampler av Q og 1. En størrelse

DQk<=>(Quk)<2->(Qsk)<2> beregnes for kvadratursignalene, og

en størrelse Dlk=l(iU(k))<2>I-(IS(k))<2> beregnes for i-fase-

signalene, hvor u(k) og s(k) er parametere som

benyttes for å bestemme indekser som velger

spesifikke samplede signaler, og hvor k er en løpende

indeks i settet av påfølgende sampler av Q og I.

Normaliseringsfaktoren blir så beregnet som forholdet

Bakgrunn for oppfinnelsen

Oppfinnelsen vedrører generelt signalprosesseringsteknikker for fiberoptiske sensorsystemer. Oppfinnelsen vedrører spesielt prosesseringssignaler som angir et faseskift i et optisk signal i både frekvensdelt-multipleksede (FDM) og tidsdelt-multipleksede (TDM) sensorsystemer. Videre vedrører oppfinnelsen mer spesielt prosessering av signaler som er proporsjonale med sinus og cosinus for faseskiftet i et optisk sensorsystem for å bestemme størrelsen av faseskiftet.

Fiberoptiske sensorsystemer av både FDM- og TDM-variantene oppnår i demoduleringsprosessen et uttrykk som er proporsjonalt med sinus til sensorfaseskiftet og et annet uttrykk som er proporsjonalt med cosinus til faseskiftet. Sinus av faseskiftet omtales som kvadraturuttrykket, Q; og cosinus av - sensorfaseskiftet omtales som fellesmodusuttrykket eller i-fase-uttrykket (eng.: the in-phase term), I. Vinkelen for faseskiftet bestemmes ved å beregne forholdet Q/I,

som er tangens for sensorfaseskiftet. Amplitudene for sinus- og cosinusuttrykkene må settes lik hverandre ved en normaliseringsprosedyre for å sikre vellykket implementering av en arcustangensrutine for å finne sensorfaseskiftet.

US 5227857 beskriver et system for å kansellere fasestøy i et interferometrisk fiberoptisk sensoroppsett. Oppsettet inkluderer to ubalanserte interferometre med lik veilengdedifferanse, ett sensorinterferometer og et referanseinterferometer. En signalprosessor kansellerer fasestøyen i signalene fra interferometrene.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Det er foreslått en forbedret normaliseringsfremgangsmåte som ikke benytter spissdeteksjon. Den kan benyttes for å oppdatere normaliseringsforholdet for hver sensorkanal på en løpende basis. Den akustiske omgivelsen kan være relativt rolig. Akustiske toner med spiss-til-spiss-amplituder på omkring 0,5 radianer er

tilstrekkelig. I fravær av disse tonene er også fasespinning ved noen få hertz på

grunn av statisk trykk eller temperaturvariasjoner tilstrekkelig.

En fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen for å prosessere signaler som føres ut

fra en veilengde-feiltilpasset (eng.: pathlength mismatched) interferometrisk sensoroppstilling, som produserer faseskift i sensorer inneholdt i oppstillingen for å angi endringer i en parameter som overvåkes er angitt i krav 1.

En fremgangsmåte for å prosessere signaler som føres ut fra en veilengde-

feiltilpasset (eng.: pathlength mismatched) interferometrisk sensoroppstilling, som produserer faseskift i sensorer inneholdt i oppstillingen for å angi endringer i en parameter som overvåkes, omfatter trinnene å sample signalutgangen fra hver sensor i oppstillingen for å frembringe for hver sensor et første sett av signaluttrykk Qk = QoBk sin fa samsvarende med sinus av faseskiftet, og et andre

sett av signaluttrykk Ik = IoBk cos fa samsvarende med cosinus av faseskiftet. For hver sensor i oppstillingen omfatter fremgangsmåten trinnene å beregne en første

størrelse DQk=|(QU(k))<2->(Qs(k))<2>| og en andre størrelse DIk=|(IU(k))<2->(IS(k))<2>| hvor u(k) og s(k) er funksjoner som benyttes for å bestemme indekser som velger spesifikke samplede signaler, og hvor k er en løpende indeks for settet av påfølgende sampler av Q og I. Fremgangsmåten omfatter videre trinnene å beregne størrelsen

og å beregne en størrelse

. Normaliseringsfaktoren bestemmes så ved trinnet å beregne

forholdet R=Qn/In-

Fremgangsmåten i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen omfatter fortrinnsvis videre trinnet å modulere fasen for optiske signaler som innføres til minst én av sensorene i oppstillingen for å normalisere signaluttrykkene Qn og In, slik at forholdet R=Qn/In er lik en for den valgte sensor.

En innsikt i hensiktene ved den foreliggende oppfinnelsen og en mer komplett forståelse for oppfinnelsens struktur og operasjonsfremgangsmåte kan oppnås ved å studere den følgende beskrivelse av den foretrakkede utførelsesform og ved henvisning til de vedføyde tegninger.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 illustrerer en utførelsesform av en fiberoptisk sensoroppstilling som normaliseringsfremgangsmåten i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan benyttes med; og

fig 2 er et flytdiagram av normaliseringsfremgangsmåten i samsvar med oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Fig. 1 illustrerer en eksempelvis sensoroppstillingsarkitektur som signalprosesseringsfremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen kan benyttes med. Oppfinnelsen er ikke begrenset for bruk med denne arkitekturen. Oppfinnelsen kan benyttes med ethvert sensorsystem som tilveiebringer to utgangssignaler som er i kvadratur. Fig. 1 illustrerer en FDM-arkitéktur 10 som omfatter et par av lasere 12 og 14 og tre polariseringsdiversitydetektorer 16-18. Laserne 12 og 14 har korresponderende fasemodulatorer 20 og 22. Fasemodulatorene 20 og 22 har fasegenererte bærerfrekvenser fi og f2.

Oppstillingen 10 omfatter et flertall av Mach-Zehnder interferometersensorer 25-30. Mach-Zehnder interferometersensorene 25-30 omfatter et eksempel på en sensoroppstilling som den foreliggende oppfinnelsen kan benyttes med. Mach-Zehnder interferometerne 25-27 mottar optiske signaler fra laseren 14 via en optisk fiber 32. Optiske koblere 34 og 36 kobler de optiske signalene fra den optiske fiberen 32 til Mach-Zehnder interferometerne 25 og 26. Mach-Zehnder interferometersensorene 28-30 mottar optiske signaler fra laseren 12 via en optisk fiber 40. Optiske koblere 42 og 44 kobler de optiske signalene fra den optiske fiber 40 inn i Mach-Zehnder interferometersensorene 28 og 29.

Mach-Zehnder interferometersensorene 28-30 tilveiebringer utgangssignaler til optiske fibre henholdsvis 50-52. De optiske fibrene 50-52 er anordnet for å tilveiebringe optiske signaler til detektorene henholdsvis 16-18. Detektorene 16-18 er forbundet til en demodulator 56. Mach-Zehnder interferometersensorene 25-27 tilveiebringer utgangssignaler til optiske koblere henholdsvis 60-62. De optiske koblerne 60-62 kobler utgangssignalene fra Mach-Zehnder interferometersensorene 25-27 til de optiske fibrene henholdsvis 50-52, slik at disse utgangssignalene også er innganger til detektorene henholdsvis 16-18.

Mach-Zehnder interferometersensorene 25-30 kan i hovedsak være identiske. Derfor beskrives bare Mach-Zehnder interferometersensoren 25 i detalj. Henvisningstallene for komponenter i Mach-Zehnder interferometersensoren 25 slutter med bokstaven "a". De øvrige Mach-Zehnder interferometersensorene 26-30 har henvisningstall som slutter med henholdsvis bokstavene b-f.

Mach-Zehnder interferometersensoren 25 omfatter et par av optiske koblere 70a og 72a, hver anordnet for å koble lys mellom et par av optiske fibre 74a og 76a. De optiske fibrene 74a og 76a omfatter deler viklet rundt korresponderende kjerner (eng.: mandrels) henholdsvis 78a og 80a. Kobleren 34 kobler lys fra den optiske fiberen 32 inn i den optiske fiberen 74a. Kobleren 70a deler lyset mellom de optiske fibrene 74a og 76a. Kobleren 72a kombinerer lyset som har forplantet seg i de optiske fibrene 74a og 76a. De kombinerte lysstrålene føres så inn i fiberen 50 via kobleren 60. De kombinerte lysstrålene produserer et interferensmønster som angir faseforskj ellen mellom lys ledet av de optiske fibrene 74a og 76a mellom de to koblerne 70a og 72a. Faseforskj ellen kan benyttes til å overvåke akustisk trykk, f.eks. der hver sensor er anbrakt.

Demodulatoren 56 mottar elektriske signaler fra fotodetektorene 16-18 og produserer så elektriske signaler som angir de to uttrykkene Q og I som prosesseres for å bestemme faseskift for hver av sensorene 25-30.

Det finnes flere teknikker for å fremskaffe elektriske signaler som angir uttrykkene Q og I som benyttes for å bestemme faseskiftet for hver sensor i en fiberoptisk sensoroppstilling. En egnet teknikk innebærer sinusformet modulering eller vibrering (eng.: dithering) av det optiske signalet som føres ut fra den optiske signalkilden. Uttrykkene Q og I kan så bestemmes ved synkron deteksjon av en odde harmonisk og en like harmonisk for modulasjons- eller vibrasjonsfrekvensen. Modulasjon av det optiske signalet kan utføres ved å modulere strømtilførselen til en halvlederlaser. En annen teknikk innebærer ekstern fasemodulasjon av laserutgangen. Ekstern fasemodulasjon er foretrukket når lav støy er et viktig hensyn. I et feiltilpasset-vei-fiberinterferometer blir den optiske frekvensmodulasjonen for kildelyset en "fasegenerert bærer-"modulasjon som den optiske mottakeren omformer til et elektrisk signal.

Et par av spenningskilder 84 og 86 er koblet til fasemodulatorene henholdsvis 22 og 20. Spenningskilder 84 og 86 er koblet til demodulator 56 via korresponderende tilbakekoblingssløyfer. Ved bruk av tilbakekobling blir spenning tilført til fasemodulatoren 22 ved spenningskilden 84 innstilt ved bruk av algoritmen beskrevet nedenfor, og illustrert i flytskjemaet i fig. 2 for å kontrollere modulasjonsdybden for fasemodulatoren 22 slik at forholdet Q/I er 1,0 for en valgt sensor, f.eks. sensoren 25. Spenningen tilført til fasemodulatoren 20 ved spenningskilden 86 blir tilsvarende innstilt for å kontrollere modulasjonsdybden for fasemodulatoren 20 slik at forholdet Q/I er 1,0 for en annen valgt sensor, f.eks. sensoren 28. Dersom de andre sensorene 26, 27, 29 og 30 ligner sensorene 25 og

28, vil innstilling av fasemodulatbrspenningene for å normalisere signaluttrykkene Q og I for sensorene 25 og 28 ordinært forårsake at signaluttrykkene Q og I fra alle sensorene i oppstillingen blir tilnærmet normalisert. Signaluttrykkene Q og I for de gjenværende sensorer i oppstillingen blir så fullstendig normalisert ved bruk av algoritmen illustrert i flytskjemaet i fig. 2.

Kvadratur- og i-fase-uttrykkene for signalprosessering betraktes som diskrete sampler i det digitale domenet. Kvadratur- og i-fase-uttrykkene for to sampler betegnet 1 og 2 er gitt ved

og

I ligningene 1 -4 er faseskiftet som skal måles (p, og signalamplitudene som endrer seg over tid på grunn av polariseringssvekking (eng.: polarization fading) er QoB og IqB. Koeffisientene Qo og Io er multiplikative konstanter, hvis forhold er nødvendig for signalnormalisering. Over lengre tid varierer forholdet Qo/Io langsomt på grunn av endringer i veifeiltilpasningen for interferometersensoren.

Svekkingsuttrykket (eng.: the fading term) B kan betraktes som en konstant under et tilstrekkelig lite tidsintervall mellom sampler 1 og 2. Med denne begrensningen kan ligningene 1-4 løses for å fremskaffe forholdet R=Qo/Io, som kan skrives som

I tillegg til forutsetningen om stasjonær B, er det en forutsetning om noe bevegelse i (p for å fremskaffe forholdet R.

Fig. 2 illustrerer en mer generell algoritme som beskrives nedenfor. Først defineres en størrelse DQk som:

en størrelse DIk defineres som:

Indeksen k er en løpende indeks for settet av påfølgende sampler av Q og I. Uttrykkene u(k) og s(k) benyttes for å bestemme indeksene som velger spesifikke samplede signaler. Hvilke som helst Q og I i de samplede data kan benyttes for å bestemme differanseuttrykket DQk og DIk. Noen eksempler på u(k) og s(k) med begrensningene N]<k<N2 og Ni>0 hvor Ni og N2 er heltall som benyttes for å betegne de samplede data, er listet opp nedenfor.

hvor s er en heltallskonstant. hvor u, s og t er heltallskonstanter.

hvor t er avstanden mellom signalene bestemt ved s-k.

En verdi oppnås så for Qn som følger:

Tilsvarende oppnås en verdi for In:

Normaliseringsfaktoren som gjelder amplitudeuttrykkene eller uttrykkene for kvadratur- og i-fase-uttrykkene kan så beregnes som:

Vanligvis behøves bare en liten prosentandel av alle sampler for Q og I å bli benyttet. Ved å bruke parametrene u(k) og s(k) som definert i eksempel (d) ovenfor, tas differanser av kvadrerte uttrykk t sampler fra hverandre. Summer av disse differansene s sampler fra hverandre genereres ved estimering av Qo/Io-Eksempel (d), som er et spesialtilfelle av eksempel (c), har blitt benyttet i en simulering av normaliseringsfremgangsmåten i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Ved å bruke u(k) og s(k) som definert i eksempel (c), blir de generelle uttrykkene for ligningene (6) og (7):

og For eksempel (d) blir ligningene (11) og (12)

Simuleringer av normaliseringsfremgangsmåten har blitt utført med Math Cad med indeksen u=s hvor s er et heltall. Modellen benytter 32768 sampler ved en samplingsrate på 512000/s. Polariseringssvekkelse er innbefattet i modellen med drift i signalamplituden på omlag 15 % over en kjøring med 32768 sampler som varer 64 ms. I det første forsøket introduseres en liten akustisk tone med en amplitude på 0,4 radianer spiss-til-spiss ved 500 Hz, uten spinnfase på grunn av statisk trykk eller temperaturvariasjoner. Algoritmen angitt for det spesielle tilfellet i eksempelet (d) ble benyttet med s=100 og t=200, og ble gjentatt 301 ganger for å danne de egnede summer. I alt ble 303 sampler inneholdende 303 sinus- og 303 cosinusuttrykk benyttet av totalen på 32768 sampler. Dette resultatet var et estimat for Qo/Io som var bare 0,5 % feilaktig.

I det andre forsøket ble en stor akustisk tone på 100 radianer spiss-til-spiss ved 500 Hz introdusert. Heltallene s og t har de samme verdiene og bare 53 sampler ble benyttet. I dette tilfellet hadde estimatet for Qo/Io bare 0,16 % feil. Simuleringene demonstrerer algoritmens evne til å estimere normaliseringsforholdet til innen noen få tiendedels prosent for små og store akustiske toner.

Ytterligere simuleringer ble gjort ved de lavere samplingsrater på 50 tusen sampler pr. sekund med total kjøretid på 655 millisekunder og en drift i signalamplitude på 15 % på grunn av polarisasjonssvekking. Akustiske toner på bare 0,6 radianer spiss-til-spiss ble introdusert ved en rekkevidde av ulike frekvenser fra 1 kHz til 10 kHz. Verste tilfelle-estimatet for Qo/Io hadde bare 3 % feil. I det store flertall av tilfeller var feilen mindre enn 0,5 %. Heltallet s ble satt til 10 og t ble satt til 3, og totalt 202 sampler ble benyttet i alle tilfellene.

De samme akustiske toner er igjen introdusert ved tilstedeværelse av fasespinn ved én Hz. Med s satt til 300 og t satt til 150, ble totalt 202 sampler benyttet. Verste tilfelle-estimatet for Qo/Io hadde bare 1,5 % feil når toneamplituden var satt til null. Disse eksemplene viser at algoritmeparametrene s, t og N1-N2 kan varieres for å møte de operasjonsbetingelser som foreligger.

Strukturene og fremgangsmåtene beskrevet her illustrerer prinsippene for den foreliggende oppfinnelse. Oppfinnelsen kan utføres i andre spesifikke former uten å fjerne seg fra dens ånd eller vesentlige karakteristikker. De beskrevne utførelsesformer skal anses i alle henseende som eksempelvise og illustrerende, heller enn begrensende. Derfor defineres oppfinnelsens rekkevidde heller av de vedføyde krav enn av den foregående beskrivelsen. Alle modiifkasjoner av utførelsesformene beskrevet her, som ligger innenfor meningen og ekvivalensrekkevidden for kravene, er omfattet av rekkevidden for oppfinnelsen.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for å prosessere signaler ført ut fra en veilengdefeiltilpasset interferometrisk sensoroppstilling (10) som produserer faseskift i sensorer (25-30) inkludert i oppstillingen for å angi endringer i en parameter som overvåkes, omfattende trinnene: å sample signalutgangen fra hver sensor (25-30) i oppstillingen for å fremskaffe fra hver sensor (25-30) et første sett av signaluttrykk Qk=QoBk sin fa samsvarende med sinus til faseskiftet, og et andre sett av signaluttrykk Ik=IoBkCos<j>k samsvarende med cosinus til faseskiftet, karakterisert ved at fremgangsmåten videre omfatter trinnene: å beregne en første størrelse DQk=|(QU(k))<2->(Qs(k))<2>| og en andre størrelse DIk=j(IU(k))<2->(Is(k))<2>| hvor u(k) og s(k) er parametere som benyttes for å bestemme indekser som velger spesifikke samplede signaler, og hvor k er en løpende indeks i settet av påfølgende sampler for Q og I; å beregne en størrelse å beregne en størrelse '. å beregne forholdet R=Qn/In-

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter trinnet å modulere fasen av optiske signalinnganger til en utvalgt av sensorene (25-30) i oppstillingen (10) for å normalisere signaluttrykkene Qn og In, slik at forholdet R=Qn/In er lik én for den valgte sensor (25-30).