NO342243B1

NO342243B1 - Systemer og fremgangsmåter for optisk generert utløsningsmultiplikasjon

Info

Publication number: NO342243B1
Application number: NO20120858A
Authority: NO
Inventors: Brooks A Childers; Roger G Duncan
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2018-04-30
Also published as: GB2490618B; AU2011218506B2; MY158258A; GB201213435D0; CA2790076A1; US8508747B2; BR112012020226A2; GB2490618A; AU2011218506A1; WO2011102943A1; US20110199618A1; BR112012020226B1; NO20120858A1; CA2790076C

Abstract

Systemer og fremgangsmåter for tilveiebringelse av triggersignaler i en optisk interrogator, hvor multiple triggere genereres innenfor hver periode av et varierende referansesignal, og hvor triggerne har jevn innbyrdes avstand i henhold til bølgetallet av referansesignalet. I en utførelse tilveiebringer et optisk frekvensdomene-reflektometrisystem en laserstråle til et referanse-interferometer for å produsere et referansesignal. Dette signalet føres gjennom en 4x4 optisk kopler som deler signalet i et første signal og et annet signal som er 90 grader ute av fase med det første signal. Disse signalene konverteres til elektriske signaler, og en triggerenhet genererer triggere ved punkter hvor de to elektriske signaler har null-kryssinger, og hvor størrelsene av signalene er like. De resulterende triggere fortsetter å ha jevn innbyrdes avstand innenfor perioden av referansesignalene, selv når perioden forandres.

Description

Bakgrunn

[0001] Oppfinnelsens område

[0002] Oppfinnelsen vedrører generelt interferometri og mer bestemt systemer og fremgangsmåter for generering av multiple triggere for hver syklus av et samplingssignal i en optisk interrogator.

[0003] Beslektet teknikk

[0004] US 6160826 A omtaler en fremgangsmåte for å utføre OFDR på en prøve som omfatter trinnene med: å tilveiebringe en frekvens-laser med et ytre hulrom med et optisk hulrom av effektiv lengde; innstilling av laseren for å generere en endring i bølgelengde; endring av den effektive lengde av de optiske hulrom i forhold til endringen i bølgelengde for å justere den langsgående hulromsmodusfrekvens med den samme hastighet som bølgelengden endres; styring av lys fra laseren på prøven; mottak av lys reflektert fra prøven; kombinering av lys reflektert fra prøven med lys fra den eksterne hulromsfrekvensjusterte laseren; detektering av det kombinerte lys og generering av et taktsignal som svarer på dette; og å utføre digital signalbehandling for å trekke ut romlig informasjon om prøven som svar på det reflekterte taktsignalet. Det er videre beskrevet et OFDR-system.

[0005] US 2009/046276 A1 omtaler et system og fremgangsmåte for å bestemme en refleksjonsbølgelengde av flere Braggitter i en optisk følerfiber omfatter: en kildelaser, en optisk detektor konfigurert for å reflektere et reflektert signal fra den optiske følerfiber, et flertall av frekvensgeneratorer konfigurert for å generere et signal med en frekvens som svarer til en interferrometerfrekvens av en annen av flertallet av Braggittere, et flertall av demodulasjonselementer, hvert demodulasjonselement er konfigurert for å kombinere signalet frembrakt av en annen en av flertallet av frekvensgeneratorer med det reflekterte signalet fra den optiske følerfiber, flertallet av toppdetektorer, hver toppdetektor er konfigurert for å detektere en topp av det kombinerte signal fra en forskjellig en av demodulasjonselementene og et laser-bølgenummerdetekteringselement konfigurert for å bestemme et bølgenummer av laseren når noen av toppdetektorene detekterer en topp.

[0006] Den kommersielle suksess for telekommunikasjoner med optisk fiber har drevet frem vekten av applikasjoner med avføling av optiske fibere ved tilveiebringelse av en bekvem tilførsel av komponenter og testutstyr til lav kostnad og høy kvalitet. En annen muliggjørende teknologi for fiberavføling var oppdagelsen av den ultrafiolette (ultraviolet, UV) fotosensitivitet i optisk fiber. Fotosensitivitet tillater endring av den indre struktur i en fiberbølgeleder. Modifikasjon av bølgelederen kan anvendes for en rekke nyttige formål, hvorav ett er å fremkalle en periodisk modulasjon av brytningsindeksen langs fiberkjernen for å danne en bølgelengdeselektiv reflektor som benevnes fiberbragg-gitter (fiber Bragg grating, FBG). FBG-er kan produseres på en praktisk og svært billig måte under prosessen med trekking av fiberen. Perioden for modulasjonen av brytningsindeksen bestemmer bølgelengden som reflekteres av FBG-en. Etter at FBG-en er blandet, kan gitterperioden for FBG-en endres fysisk ved å forandre den mekaniske last på fiberen, eller ved å forandre dens temperatur. Ved overvåking av bølgelengden som er reflektert fra en FBG, kan FBG-en brukes som en transduser både for tøyning og temperatur.

[0007] En viktig nylig utvikling i bruken av FBG-er er bruken av optisk frekvensdomene-reflektometri (OFDR), som er en avfølingsteknikk som kan brukes til å overvåke FBG-er eller andre sensorer. Denne teknikken kan brukes til å utspørre hundrevis eller tusenvis av FBG-er fordelt langs lengden av en enkelt optisk fiber. OFDR-teknikken har mange applikasjoner hvor lav vekt, immunitet for elektromagnetisk interferens, høy sensortetthet og fjernutlesing er viktige hensyn. Disse applikasjoner inkluderer overvåkingssensorer så som FBG-er, tilveiebringelse av diagnostikk for optiske fibernettverk og kabler, inkludert den iboende Rayleigh-spredning for den optiske fiber, overvåking av tilstanden til romfartsstrukturer, overvåking av industrielle prosesser og overvåking av undersjøiske systemer og oljebrønnsystemer.

[0008] Ett av problemene med konvensjonelle OFDR-systemer av den ovenfor beskrevne type er at det sinusformede referansesignal tilveiebringer samplingstriggere kun én gang pr. periode, f.eks. ved stigende null-kryssinger. Når et referanse-interferometer brukes for sampling, begrenser frekvensen for samplingen frekvensen for signalene fra den innretning som testes som kan brytes ned av systemet (på grunn av Nyquist-kriteriene), hvilket i sin tur begrenser lengden av innretningen som testes. Hvis det er ønskelig å øke samplingsfrekvensen og dermed øke den mulige lengde av innretningen som testes, må veilengdedifferansen for referanse-interferometeret økes. Dette kan imidlertid oppvise praktiske vanskeligheter. Det vil derfor være ønskelig å tilveiebringe systemer og fremgangsmåter for øking av raten av samplingssignalet uten å øke lengden av referanse-interferometeret.

Sammenfatning av oppfinnelsen

[0007] Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved et apparat for trigging av uniform bølgetallsampling i et optisk frekvensdomene-reflektometrisystem, kjennetegnet ved at apparatet omfatter:

en optisk kopler konfigurert til å motta et optisk referansesignal fra et referanse-interferometer og til å tilveiebringe minst ett optisk utgangssignal med den samme periode som det optiske referansesignal;

minst én optisk referansedetektor konfigurert til å motta det minst ene optiske utgangssignal og til å konvertere det optiske utgangssignal til minst ett elektrisk signal med den samme periode som det optiske utgangssignal; og en triggerenhet konfigurert til å motta det minst ene elektriske signal og til å generere et triggersignal som inneholder flere enn én trigger pr. periode av det minst ene elektriske signal, hvor triggerne har uniform bølgetallavstand,

hvor den optiske kopler er konfigurert til å dele det optiske referansesignal i første og andre optiske utgangssignaler, hvor det annet optiske utgangssignal er 90 grader ute av fase fra det første optiske utgangssignal, og hvor den minst ene optiske referansedetektor omfatter første og andre optiske referansedetektorer som er konfigurert til å konvertere de første og andre optiske utgangssignaler til første og andre elektriske signaler, hvor det annet elektriske signal er 90 grader ute av fase fra det første elektriske signal.

[0008] Foretrukne utførelsesformer av apparatet er videre utdypet i kravene 2 til og med 6.

[0009] Målene oppnås videre ved en fremgangsmåte for trigging av uniform bølgetallsampling i et optisk frekvensdomene-reflektometrisystem, kjennetegnet ved at fremgangsmåten omfatter:

tilveiebringelse av et optisk referansesignal med en periode som varierer med et bølgetall for en laserlysstråle som utspør en sensoroppstilling;

konvertering av det optiske referansesignal til minst ett elektrisk signal med den samme periode som det optiske referansesignal; og

generering av et triggersignal basert på det minst ene elektriske signal, hvor triggersignalet inneholder flere enn én trigger pr. periode av det minst ene elektriske signal, og hvor triggerne har uniform bølgetallavstand,

hvor konvertering av det optiske referansesignal til det minst ene elektriske signal omfatter deling av det optiske referansesignal i første og andre optiske utgangssignaler, hvor det annet optiske utgangssignal er 90 grader ute av fase fra det første optiske utgangssignal, og konvertering av de første og andre optiske utgangssignaler til første og andre elektriske signaler, hvor det annet elektriske signal er 90 grader ute av fase fra det første elektriske signal.

[0010] Foretrukne utførelsesformer av fremgangsmåten er utdypet i kravene 8 til og med 12.

[0011] Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås videre ved et optisk frekvensdomene-reflektometrisystem, kjennetegnet ved at det omfatter:

en laser konfigurert til å produsere en laserlysstråle; en første optisk kopler konfigurert til å motta laserlysstrålen fra laseren;

et referanse-interferometer konfigurert til å motta laserlysstrålen fra den første optiske kopler og til å produsere et optisk referansesignal, hvor referanseinterferometeret er konfigurert til å tilveiebringe det optiske referansesignal til den første optiske kopler;

hvor den første optiske kopler er konfigurert til å motta det optiske referansesignal og til å tilveiebringe minst ett optisk utgangssignal med den samme periode som det optiske referansesignal;

minst én optisk referansedetektor konfigurert til å motta det minst ene optiske utgangssignal og til å konvertere det optiske utgangssignal til minst ett elektrisk signal med den samme periode som det optiske utgangssignal;

en triggerenhet konfigurert til å motta det minst ene elektriske signal og til å generere et triggersignal som inneholder flere enn én trigger pr. periode av det minst ene elektriske signal, hvor triggerne har uniform bølgetallavstand;

en sensoroppstilling koplet til laseren og konfigurert til å motta laserlysstrålen, hvor sensoroppstillingen er konfigurert til å produsere et optisk sensorsignal; og

en optisk sensoroppstilling-detektor konfigurert til å motta det optiske sensorsignal, hvor den optiske sensoroppstilling-detektor er konfigurert til å motta triggersignalet og til å sample det optiske sensorsignal som respons på forekomster av triggerne i triggersignalet,

hvor den første optiske kopler er konfigurert til å dele det optiske referansesignal i første og andre optiske utgangssignaler, hvor det annet optiske utgangssignal er 90 grader ute av fase fra det første optiske utgangssignal, og hvor den minst ene optiske detektor omfatter første og andre optiske detektorer som er konfigurert til å konvertere de første og andre optiske utgangssignaler til første og andre elektriske signaler, hvor det annet elektriske signal er 90 grader ute av fase fra det første elektriske signal.

[0012] Foretrukne utførelsesformer av systemet er videre utdypet i krav 14 til og med 19.

[0013] Denne offentliggjøring er rettet mot systemer og fremgangsmåter for tilveiebringelse av triggersignaler i en optisk interrogator som løser ett eller flere av de ovenfor omtalte problemer. Særlig sørger systemene og fremgangsmåtene for frembringelse av multiple triggere innenfor hver periode av et varierende referansesignal, hvor triggerne i hovedsak har jevn innbyrdes avstand i henhold til bølgetallet for referansesignalet.

[0014] I en utførelse brukes et OFDR-system til å utspørre en sensoroppstilling som er integrert i en optisk fiber. En laser belyser både sensoroppstillingen og et referanse-interferometer. Referanse-interferometeret produserer et referansesignal som føres gjennom en 4x4 optisk kopler som deler signalet og tilveiebringer utgangssignaler som inkluderer et første signal og et annet signal som er 90 grader uten av fase med det første signal. Optiske detektorer brukes til å konvertere disse optiske signaler til elektriske signaler. En triggerenhet detekterer deretter punkter hvor de to elektriske signaler har null-kryssinger, og hvor størrelsene av signalene er like. Dette produserer åtte triggere pr. periode av referansesignalet, istedenfor den eneste trigger som vanligvis produseres ved den stigende nullkryssing av referansesignalet. Videre, fordi triggerne genereres fra hendelser som korresponderer til faste posisjoner innenfor perioden av referansesignalene, fortsetter triggerne å ha tilnærmet jevn innbyrdes avstand innenfor perioden av referansesignalene, selv når perioden forandres som et resultat av ikke-lineariteter i sveipingen av laserens frekvens.

[0015] Et apparat for trigging av uniform bølgetallsampling i et optisk frekvensdomene-reflektometersystem. Apparatet inkluderer en optisk kopler, minst én optisk referansedetektor og en triggerenhet. Den optiske kopler er konfigurert til å motta et optisk referansesignal fra et referanse-interferometer og å tilveiebringe minst et optisk utgangssignal som har den samme periode som det optiske referansesignal. Den optiske referansedetektor er konfigurert til å motta det optiske utgangssignal og til å konvertere dette signal til minst ett elektrisk signal som har den samme periode som det optiske utgangssignal. Triggerenheten er konfigurert til å motta de elektriske signaler og til å generere et triggersignal som inneholder flere enn én trigger pr. periode av de elektriske signaler, hvor triggerne har uniform bølgetallavstand. I en utførelse er den optiske kopler konfigurert til å dele det optiske referansesignal i to optiske signaler som er 90 grader ute av fase med hverandre (det samme er de to resulterende elektriske signaler). Den optiske kopler kan f.eks. være en 4x4 optisk kopler. Triggerenheten kan være konfigurert til å generere triggere ved null-kryssinger for de første og andre elektriske signaler og ved tidspunkter hvor de første og andre elektriske signaler har like størrelser. Triggerenheten kan f.eks. inkludere fire komparator-differensiatorpar og en summeringsenhet, hvor et første komparator-differensiatorpar mottar de første og andre elektriske signaler som innganger, et annet komparator-differensiatorpar mottar det første elektriske signal og en invers av det annet elektriske signal som innganger, et tredje komparator-differensiatorpar mottar det første elektriske signal og jord som innganger, og et fjerde komparator-differensiatorpar mottar det annet elektriske signal og jord som innganger. Utgangen fra hvert komparatordifferensiatorpar kan da tilveiebringes som en inngang til summeringsenheten, idet utgangen fra denne er triggersignalet. Apparatet kan også inkludere et referanseinterferometer og en laser, hvor referanse-interferometeret er konfigurert til å motta en laserlysstråle fra laseren og til å produsere det optiske referansesignal.

[0016] En annen utførelse omfatter en fremgangsmåte for trigging av uniform bølgetallsampling i et optisk frekvensdomene-reflektormetersystem. Fremgangsmåten inkluderer tilveiebringelse av et optisk referansesignal, konvertering av det optiske referansesignal til minst ett elektrisk signal som har den samme periode som det optiske referansesignal, og generering av et triggersignal basert på det minst ene elektriske signal, hvor triggersignalet inneholder flere enn én trigger pr.

periode av det minst ene elektriske signal, og hvor triggerne har uniform bølgetallavstand. Det optiske referansesignal kan genereres ved tilveiebringelse av en laserstråle til et referanse-interferometer, idet utgangen fra dette føres gjennom en 4x4 optisk kopler for å produsere et par av optiske signaler som er 90 grader ute av fase med hverandre. Disse optiske signaler blir deretter konvertert av optiske detektorer til elektriske signaler som er 90 grader ute av fase. Triggerne kan deretter genereres ved null-kryssinger av de to elektriske signaler og ved tidspunkter hvor de to elektriske signaler har like størrelser.

[0017] En annen utførelse omfatter et OFDR-system som inkluderer en laser og en første optisk kopler (eksempelvis en 4x4 kopler) som kopler laseren til et referanse-interferometer. Referanse-interferometeret bruker laserlysstrålen til å produsere et optisk referansesignal, som returneres til den første optiske kopler. Optiske referansedetektorer mottar de returnerte optiske utgangssignaler (som er 90 grader ute av fase med hverandre) og konverterer dem til korresponderende elektriske signaler som har den samme periode som de optiske utgangssignaler. En triggerenhet mottar de elektriske signaler og genererer et triggersignal som inneholder flere enn én trigger pr. periode av det minst ene elektriske signal. Triggerne har uniform bølgetallavstand. Triggerenheten kan f.eks. bruke komparatordifferensiatorpar til å generere triggere korresponderende til null-kryssinger for de første og andre elektriske signaler og tidspunkter hvor de første og andre elektriske signaler har like størrelser. Systemet inkluderer også en sensoroppstilling som mottar strålen fra laseren og produserer et optisk sensorsignal. En optisk sensor-oppstillingsdetektor mottar de optiske sensorsignal og triggersignaler. Den optiske sensor-oppstillingsdetektor sampler det optiske sensorsignal som respons på forekomster av triggerne i triggersignalet. Sensoroppstillingen kan være et sensoroppstillings-interferometer. Sensoroppstilling-interferometeret kan f.eks. inkludere en 2x2 optisk kopler og en flerhet av selektivt reflekterende sensorer, så som fiberbragg-gitre. En første port av den 2x2 optiske kopler mottar laserlysstrålen, en annen port av den 2x2 optiske kopler er koplet til en første optisk fiber som termineres ved en bredbåndsreflektor, og en tredje port av den 2x2 optiske kopler er koplet til en annen optisk fiber som inkorporerer sensorene.

[0018] Tallrike andre utførelser er også mulige.

Kort beskrivelse av tegningene

[0019] Andre hensikter og fordeler ved oppfinnelsen kan klart fremgå ved lesing av den følgende detaljerte beskrivelse og med henvisning til de ledsagende tegninger.

[0020] Fig.1 er et diagram som illustrerer et grunnleggende OFDR-system i samsvar med kjent teknikk.

[0021] Fig.2 er et diagram som illustrerer et optisk referansesignal og et triggersignal som inkluderer triggere ved stigende null-kryssinger for det optiske referansesignal.

[0022] Fig.3 er et diagram som illustrerer et OFDR-system som genererer multiple triggere pr. periode av et optisk referansesignal i samsvar med en utførelse.

[0023] Fig.4 er et diagram som illustrerer en eksemplifiserende struktur for en triggerenhet som kan brukes i systemet på fig.3.

[0024] Fig.5 er et diagram som illustrerer et par av optiske referansesignaler og et triggersignal som inkluderer multiple triggere pr. periode av de optiske referansesignaler som genereres av triggerenheten på fig.4.

[0025] Selv om oppfinnelsen kan ha forskjellige modifikasjoner og alternative former, er spesifikke utførelser av denne vist som eksempel på tegningene og i den ledsagende detaljerte beskrivelse. Det skal imidlertid forstås at tegningene og den detaljerte beskrivelse ikke er ment for å begrense oppfinnelsen til den bestemte utførelse som beskrives. Det er isteden meningen at offentliggjøringen skal dekke alle modifikasjoner, ekvivalenter og alternativer som faller innenfor omfanget av den foreliggende oppfinnelse slik den er angitt i de vedføyde krav.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelser

[0026] Én eller flere utførelser av oppfinnelsen er beskrevet nedenfor. Det bør tas ad notam at disse og enhver annen utførelse som beskrives nedenfor er eksemplifiserende og er ment å være illustrative for oppfinnelsen snarere enn begrensende.

[0027] Som her beskrevet, forskjellige utførelser av oppfinnelsen omfatter systemer og fremgangsmåter for tilveiebringelse av triggersignaler i en optisk interroga tor, hvor multiple triggere genereres innenfor hver periode av et varierende referansesignal, og hvor triggerne har jevn innbyrdes avstand i henhold til bølgetallet for referansesignalet.

[0028] I en utførelse brukes et OFDR-system til å utspørre en sensoroppstilling som er integrert i en optisk fiber. En laser tilveiebringer en stråle både til sensoroppstillingen og et referanse-interferometer. Referanse-interferometeret produserer et referansesignal som føres gjennom en 4x4 optisk kopler som deler signalet og tilveiebringer utgangssignaler som er 90 grader ute av fase med hverandre. Optiske detektorer brukes til å konvertere disse optiske signaler til elektriske signaler. En triggerenhet detekterer deretter punkter hvor de to elektriske signaler har null-kryssinger, og hvor størrelsene av signalene er like. Dette produserer åtte triggere pr. periode av referansesignalene, istedenfor den eneste trigger som normalt produseres ved den stigende null-kryssing for referansesignalet. Videre, fordi triggerne genereres fra endelser som korresponderer til faste posisjoner innenfor perioden av referansesignalene, fortsetter triggerne å ha jevn innbyrdes avstand innenfor perioden av referansesignalene, selv når perioden forandres som et resultat av sveiping av frekvensen til laseren.

[0029] OFDR er en teknikk som kan brukes til å overvåke, eller utspørre, sensorer så som FBG-er som har reflektivitet som er bølgelengde-avhengig. FBG-er er innretninger som benytter periodiske modulasjoner av brytningsindeksen for en optisk fiber til å oppnå bølgelengde-selektiv refleksjon. Perioden av moderasjonen bestemmer den bølgelengde som reflekteres, men perioden av modulasjonen (følgelig den reflekterte bølgelengde) kan endres ved å forandre den mekaniske last på fiberen eller temperaturen for fiberen. FBG-en kan brukes som en sensor for tøyning og/eller temperatur ved å overvåke den bølgelengde som reflekteres av FBG-en.

[0030] På grunn av tilgjengeligheten av teknikker så som OFDR, kan mange FBG-er (eksempelvis hundrevis eller til og med tusenvis) fordeles langs lengden av en enkelt fiber. I en konfigurasjon genererer OFDR-system et samplingssignal, f.eks. ved bruk av en frekvenssveipet laser med et i-fiber referanse-interferometer. Lyset fra laseren tilveiebringes også til den fiber som inkorporerer FBG-ene. Hver av FBG-ene tilveiebringer effektivt en interferometer-utgang som samples i henhold til samplingssignalet produsert av referanse-interferometeret. Lyset som reflekteres av hver FBG moduleres med en unik frekvens som er avhengig av FBG-ens lokalisering langs lengden av fiberen.

[0031] Et grunnleggende, konvensjonelt OFDR-system er vist på fig.1. Dette system inkluderer en bølgelengde-avstembar laser 110, tre 2-ganger-2 optiske koplere 120-122, to fotodiode-dektektorer 130-131, et FBG-oppstillingbasert interferometer 140 og et i-fiber interferometer 150. Laserlyset deles av kopleren 120 og går til koplerne 121 og 122. Porten av kopler 120 som ikke brukes termineres (som angitt i figuren med en "X").

[0032] Hver av de 2-ganger-2 optiske koplere deler det lys som passerer gjennom kopleren, slik at lys som kommer inn på en side av kopleren deles og mates ut på de porter på den motsatte side. Kopleren virker på samme måte i begge retninger. Kopler 121 brukes til å danne et i-fiberinterferometer med lyset reflektert fra reflektorene 151 og 152. Dette lys detekteres av en detektor 130, så som en fotodiode. Referanse-interferometeret har en optisk veilengde-differanse på 2nL, hvor n er den effektive brytningsindeks for fiberen og L veidifferansen for de to veier gjennom interferometeret (fra koper 121 til reflektor 151, og fra kopler 121 til reflektor 152).

[0033] Kopler 122 brukes til å danne det som i realiteten er en frekvens av like overlappende interferometere. Den første vei av hvert interferometer dannes mellom kopler 122 og reflektor 141. Den annen vei av hvert interferometer dannes mellom kopler 122 og den respektive av FPG-ene (eksempelvis 142, 143 eller 144). Lyset reflektert fra reflektor 141 og hvert gitter (142-144) detekteres av detektor 131.

[0034] Signalet detektert av detektor 130 er sinusformet. Fasen til dette signal er en lineær funksjon av laserens bølgetall. Signalet detektert av detektor 130 konverteres til et elektrisk signal av triggerenhet 160. Dette signalet brukes til å trigge sampling av sensorsignalene som ankommer ved detektor 131. De stigende null-kryssinger for det sinusformede signal detektert av detektoren 130 brukes typisk som triggere. Dette er vist på fig.2. Referansesignalet I detektert av detektoren 130 er vist på toppen av fig.2. Triggesignalet T produsert av triggerenheten 160 er vist på bunnen av figuren. Som vist på denne figur, stigende nullkryssinger 210 og 211 detekteres av triggerenheten 160, som genererer korresponderende triggere 220 og 221 i triggersignalet.

[0035] Dataene detektert av detektoren 131 sendes fremover til en databehandlingsenhet 170. Ved bruk av signalet detektert av detektoren 130 til å trigge sampling av de optiske signaler som ankommer ved detektoren 131, tilveiebringes høy oppløsning, og det tilveiebringes også uniform bølgetall-sampling av disse signaler. Det skal tas ad notam at, fordi frekvensen til laseren er sveipet, tidssynkron sampling kanskje ikke tilveiebringer uniform sampling, hvis avstemmingen er ikke-lineær med hensyn på tid. Den uniforme sampling med høy oppløsning tillater diskret Fourier-analyse av signalene mottatt ved detektor 131.

[0036] Systemet på fig.1 kan med enkelhet utvides til å inkludere ytterligere sensormoduler. Hver ytterligere sensormodul kan konstrueres på den samme måte som den første, inkludert en detektor (eksempelvis 131) og et sensoroppstilling-basert interferometer (eksempelvis 140). Hvis den optiske kopler 120 forandres, f.eks. til en 4x4 kopler, kan lyset fra laser 110 tilveiebringes til én eller to ytterligere sensormoduler. Detektoren i hver ytterligere sensormodul kan trigges ved bruk av det samme triggersignal som er generert av triggeenheten 160, og dataene kan tilveiebringes til og behandles av den samme databehandlingsenhet.

[0037] Som angitt ovenfor, lyset reflektert av hver FBG moduleres med en unik frekvens som er uavhengig av FBG-ens lokalisering langs lengden av fiberen. Jo lenger en FBG er lokalisert fra kopleren, jo høyere er frekvensen tilknyttet FBG-en. For å øke lengden av fiberen (følgelig avstanden til FBG-ene fra kopleren), må systemet på fig.1 også øke veilengdedifferansen for referanse-interferometeret. Fordi det kanskje ikke er praktisk eller passende å øke lengden av referanseinterferometeret, kan det være foretrukket å opprettholde lengden av referanseinterferometeret og mangedoble triggerne som er generert basert på referansesignalet detektert av detektor 130.

[0038] OFDR-signalene drives av bølgelengdeavstemmingen av laseren. Når laseren avstemmes, er signalet ved detektor 130 gitt av

D1 = cos(k2nL) (1)

[0039] Frekvensen for dette signal er proporsjonal med L, interferometerveilengdedifferansen. Kontanten k er bølgetallet for lyset, og er relatert til lysets bølgelengde, λ, med

k = 2 Π/ λ (2)

[0040] Interferometeret opereres syklisk én gang for en forandring av bølgetall, Δk, på

Δ = Π/n λ (3)

[0041] Dette er en konstant. Interferometeret opereres derfor syklisk lineært som en funksjon av bølgetall. Den positivt-gående null-kryssing for signalet ved detektor 130 brukes til å trigge samplingen av signalet ved detektor 131. Dette garanterer at signalet ved 131 samples ved det konstante bølgetall-intervall gitt av ligning (3).

[0042] Signalene korresponderende til alle FBG-ene er tilstede ved detektor 131. Hvert av disse signaler ligner signalet ved detektor 130, men responsen fra hver FPG er begrenset til det smale bølgelengdeområde, eller spektrum, som den reflekterer over. Med andre ord, det individuelle interferometer korresponderende til hver FBG kan kun produsere et utgangssignal når den reflekterer lys. Signalet ved detektor 131 er summen av disse individuelle interferometer-responser, slik at signalet ved detektor 131 kan skrives som

D2<=>ΣR<i>cos(k2nLi)<(4)>

i

[0043] hvor Ri er spektrumet for det i'te gitter og Li er veilengdedifferansen for det korresponderende i'te interferometer. Denne ligning viser, som angitt ovenfor, at spektrumet for hvert gitter moduleres av et signal med en unik frekvens som styres av gitterets posisjon, Li, i fiberen. Ved båndpassfiltrering rundt en spesifikk frekvens (lokalisering) via hurtig Fourier-transformasjon, kan spektrumet for hvert gitter måles uavhengig og det kan trekkes en slutning om tøyning eller temperatur.

[0044] Det vises til fig.3, hvor det vises et OFDR-system som tilveiebringer multiple triggere pr. periode av referanse-interferometersignalet. Dette systemet inkluderer en bølgelengde-avstembar laser 310, tre optiske koplere 320-322, tre fotodiode-detektorer 330-332, et FBG-oppstilling-basert interferometer 340 og et i-fiber-interferometer 350.

[0045] Som i systemet på fig.1, laserlyset deles av kopleren 320 og går til koplerne 321 og 322. Kopleren 320 og 321 er 2x2-koplere. Kopleren 322 er imidlertid en 4x4-kopler slik at lys som kommer inn på én side av kopleren deles og mates ut på fire porter på den motsatte side. To av portene på høyre side av kopleren 322 er forbundet til optiske fibere som terminerer ved bredbånds-reflektorene 351 og 352, og danner et referanse-interferometer som essensielt er det samme som referanse-interferometeret på fig.1. Referanse-interferometeret på fig.3 har en optisk veilengde-differanse på 2nL, hvor n er den effektive brytningsindeks for fiberen og L er veidifferansen for de to veier gjennom interferometeret. I systemet på fig.3, blir imidlertid interferometerets utgangssignal returnert til to detektorer, 330 og 331, så vel som til port 325, som er ubrukt. Utgangssignalet mottatt ved detektor 330 er 90 grader ut av fase med signalet mottatt av detektor 331. Som på fig. 1, kopleren 321 brukes til å danne effektivt overlappende interferometere 340. Lyset reflektert fra reflektor 341 og hver FBG (342-344) detekteres av detektor 332.

[0046] Signalene detektert av detektorene 330 og 331 er sinusformede og har faser som er lineære funksjoner av bølgetallet til laseren. Som angitt ovenfor, signalene er 90 grader ute av fase. De optiske signaler detektert av detektorene 330 og 331 konverteres til elektriske signaler med triggerenheten 360. Triggerenheten 360 foretar flere sammenligninger av disse elektriske signaler med hverandre og med referansespenninger, og genererer triggersignaler basert på sammenligningene. Triggersignalene brukes til å trigge sampling av de optiske signaler som ankommer med detektor 332. Dataene detektert av detektor 332 sendes fremover til en databehandlingsenhet 370, som behandler dataene for å bestemme bølgelengden til lyset som reflekteres fra hver av FBG-ene.

[0047] I en utførelse er triggerenheten 360 konfigurert til å generere åtte triggerpulser uniformt fordelt over hele perioden av de sinusformede optiske signaler. En eksemplifiserende struktur for triggerenheten er vist på fig.4. Triggerenheten på fig. 4 mottar de elektriske signaler, I og Q, som korresponderer til de optiske signaler mottatt av detektorene 330 og 331, og genererer et triggersignal, T, som brukes til å trigge sampling ved detektor 332.

[0048] Triggerenheten identifiserer null-kryssinger (både stigende og fallende) for signaler I og Q, og identifiserer også punkter hvor størrelsene av I og Q er like. Null-kryssingene opptrer for hver 90 grader under signalenes periode. På lignende vis er størrelsene av signalene like for hver 90 grader under signalenes periode, men disse opptrer med en 45 graders faseforskjell fra null-kryssingene. Når de kombineres, opptrer disse hendelser for hver 45 grader over hele perioden til signalene, hvilket resulterer i åtte triggerhendelser med innbyrdes jevn avstand under perioden for signalene.

[0049] Med henvisning til fig.4. triggerenheten inkluderer et sett av komparatorer 410-413, et sett av differensiatorer 420-423 og en summeringsenhet 430. I denne utførelse omfatter komparatorene 410-413 Schmidt-triggere med neglisjerbar hysterese. Komparatorene 410-411 og differensiatorene 420-421 brukes til å produsere triggere korresponderende til punkter hvor de optiske signaler har lik størrelse, mens komparatorene 412-413 og differensiatorene 422-423 brukes til å produsere triggere korresponderende til null-kryssinger.

[0050] Komparator 410 mottar signaler I og Q som innganger. Når I er større enn Q, er utgangen fra komparator 410 høy. Når I er mindre enn Q, er utgangen fra komparator 410 lav. Utgangen fra komparator 410 går således over mellom høy og lav når I og Q er like. Utgangen fra komparator 410 mates inn til differensiator 420. Differensiator 420 genererer en utgangspuls når det er en overgang i inngangssignalet. Differensiator 420 produserer følgelig en utgangspuls når I og Q er like. Utgangen fra differensiatoren 420 blir da tilveiebrakt som en inngang til summeringsenheten 430. Komparator 411 mottar signal Q og den inverse av signal I som innganger. Komparator 411 kan alternativt motta I og den inverse av Q. Når signalene I og Q er like i størrelse, men motsatte i fortegn, går utgangen fra komparator 411 over mellom høy og lav. Utgangen fra komparator 411 tilveiebringes som en inngang til differensiator 421, som konverterer hver overgang av inngangssignalet til en puls ved utgangen fra differensiatoren. Utgangen fra differensiator 421 tilveiebringes som inngang til summeringsenheten 430.

[0051] Signal I tilveiebringes som en inngang til komparator 412. Den andre inngangen til komparator 412 er knyttet til jord. Når signal I er større enn null, er utgangen fra komparator 412 høy, og når signalet er mindre enn null, er utgangen fra komparatoren lav. Utgangen fra komparatoren 412 går over mellom høy og lav når signal I krysser null. Utgangen fra komparator 412 tilveiebringes som en inngang til differensiator 422. Differensiatoren 422 produserer en puls ved sin utgang når det er en overgang mellom høy og lav i inngangssignalet. Utgangen fra differensiator 422 tilveiebringes som en inngang til summeringsenheten 430. Signal Q tilveiebringes som en første inngang til komparatoren 413. Den annen inngang til komparatoren 413 er knyttet til jord, slik at utgangen fra komparatoren går over mellom høy og lav når signal Q krysser null. Utgangen fra komparator 413 tilveiebringes som en inngang til differensiator 423. Differensiator 423 produserer en utgangspuls når det er et høy/lav eller lav/høy overgang i inngangssignalet, slik at det genereres en utgangspuls for hver null-kryssing av signal Q.

[0052] Som angitt ovenfor, utgangene fra differensiatorene 420-423 er tilveiebrakt som innganger til summeringsenheten 430. Hver av disse innganger er lav, unntatt når en puls genereres for de korresponderende trigger-tilstander (dvs. I=Q for differensiator 420, I=-Q for differensiator 421, I = 0 for differensiator 422, og Q=0 for differensiator 423). Utgangen fra summeringsenheten 430 er følgelig lav, unntatt når en puls mottas fra én av differensiatorene 420-423.

[0053] Med henvisning til fig.5, vises et diagram som illustrerer relasjonen mellom signalene I og Q og utgangen fra triggerenheten. I den øvre del av figuren er signalene I og Q avbildet. Utgangen fra triggerenheten er vist i den nedre del av figuren. Signalene I og Q er elektriske signaler som mates ut av detektorene 330 og 331. Signalene I og Q sporer de optiske signaler som produseres av referanseinterferometere 350 og den optiske kopler 322 – de har den samme periode, fase og bølgeform. Når signalene I og Q mates inn til triggerenheten vist på fig.4, produserer triggerenheten et triggersignal T, som vist på bunnen av fig.5. Pulsene (triggerne) i triggersignalet T korresponderer til hendelsene detektert av komparator-differensiatorparene i triggerenheten. Komparator-differensiatorpar 410/420 detekterer de punkter hvor I og Q er like (eksempelvis 513, 517) og genererer korresponderende triggere (eksempelvis 523, 527). Komparatordifferensiatorpar 411/421 detekterer de punkter hvor I og Q er like i størrelse, men motsatte i fortegn (eksempelvis 511, 515) og genererer korresponderende triggere (eksempelvis 521, 525). Komparator-differensiatorpar 412/422 detekterer nullkryssingene for signal I (eksempelvis 510, 514, 518) og genererer triggere for disse hendelser (eksempelvis 520, 524, 528). Komparator-differensiatorpar 413/423 detekterer null-kryssinger for signal Q (eksempelvis 512, 516) og genererer de korresponderende triggere (eksempelvis 522, 526).

[0054] Bruk av signalet detektert av detektor 330 til å trigge sampling av de optiske signaler som ankommer ved detektor 331 tilveiebringer en høyere oppløsning enn konvensjonell sampling basert på stigende null-kryssinger, og tilveiebringer også uniform bølgetallsampling, selv når sekvensen til laseren er sveipet. Det skal tas ad notam at, fordi frekvensen til laseren er sveipet, tidssynkron sampling ikke ville tilveiebringe uniform sampling. Den uniforme sampling med høy oppløsning gir adgang til diskret Fourier-analyse av signalene mottatt ved detektor 331.

[0055] Utførelsen på figurene 3-5 er ment å være eksemplifiserende. Det er tenkelig at det kan være mange alternativ utførelser som inkorporerer variasjoner av elementene beskrevet ovenfor og likevel faller innenfor omfanget av oppfinnelsen. For eksempel, selv om den foregående utførelser genererer åtte triggere pr. periode av referansesignalet, kan andre utførelser generere færre (eksempelvis to eller fire) eller flere (eksempelvis 16) triggere pr. periode. Tidligere, selv om den foregående utførelse anvender et bestemt arrangement av elektroniske komponenter (komparatorer, differensiatorer, summeringsenhet) for å generere triggerne i triggersignalet, skal det forstås at mange alternative komponenter og arrangementer kan brukes for å oppnå det ønskede resultat (triggere som tilveiebringer uniform bølgetallsampling). Slike alternative utførelser antas å være innenfor omfanget av den foreliggende offentliggjøring. Enda videre, selv om utførelsene ovenfor brukes i forbindelse med en sensoroppstilling som anvender FBG-er, kan de offentliggjorte systemer og fremgangsmåter for optisk utspørring være nyttige med andre typer av sensorer eller innretninger, og er ikke begrenset til bruk med FBG-er.

[0056] De som har fagkunnskap vil videre forstå at de forskjellige illustrative logiske blokker, moduler, kretser og algoritmetrinn beskrevet i forbindelse med de utførelser som her er offentliggjort kan implementeres som elektronisk maskinvare, datamaskinprogramvare (inkludert fastvare), eller kombinasjoner av begge deler. For klart å illustrere ombyttbarheten for maskinvare og programvare, har forskjellige illustrative komponenter, blokker, moduler, kretser og trinn ovenfor blitt beskrevet generelt i form av sin funksjonalitet. Om hvorvidt slik funksjonalitet implementeres som maskinvare eller programvare avhenger av den bestemte applikasjon og design-restriksjoner påtvunget på det samlede system. På lignende vis, de bestemte maskinvare- eller programvarekomponenter som velges for å implementere den beskrevne funksjonalitet kan velges for å oppnå spesifikke designmål. De som har fagkunnskap innen teknikken kan implementere den beskrevne funksjonalitet på forskjellige måter for hver bestemte anvendelse, men slike implementeringsbeslutninger bør ikke tolkes dit at de forårsaker en fravikelse fra omfanget av den foreliggende oppfinnelse.

[0057] Den nytte og de fordeler som kan tilveiebringes med den foreliggende oppfinnelse har ovenfor blitt beskrevet med hensyn på spesifikke utførelser. Denne nytte og fordeler, og ethvert element eller begrensninger som kan forårsake at de opptrer eller blir klarere uttrykk skal ikke fortolkes som kritiske, påkrevde eller essensielle trekk ved noen eller alle kravene. Som her brukt, uttrykkene "omfatter", "omfattende" eller eventuelle andre variasjoner av disse, er ment å tolkes som ikke-utelukkende inkluderende de elementer eller begrensninger som følger disse uttrykk. Et system, fremgangsmåte eller en annen utførelse som omfatter et sett av elementer er følgelig ikke begrenset kun til disse elementer, og kan inkludere andre elementer som ikke uttrykkelig er opplistet eller iboende i den utførelse det kreves beskyttelse for.

[0058] Selv om den foreliggende oppfinnelse har blitt beskrevet med henvisning til bestemte utførelser, skal det forstås at utførelsene er illustrative og at omfanget av oppfinnelsen ikke er begrenset til disse utførelser. Mange variasjoner, modifikasjoner, tillegg og forbedringer til de ovenfor beskrevne utførelser er mulige. Det forventes at disse variasjoner, modifikasjoner, tillegg og forbedringer faller innenfor omfanget av oppfinnelsen slik den detaljert er gjort rede for i de følgende krav.

Claims

P A T E N T K R A V

1. Apparat for trigging av uniform bølgetallsampling i et optisk frekvensdomene-reflektometrisystem,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t apparatet omfatter:

minst én optisk referansedetektor konfigurert til å motta det minst ene optiske utgangssignal og til å konvertere det optiske utgangssignal til minst ett elektrisk signal med den samme periode som det optiske utgangssignal; og en triggerenhet konfigurert til å motta det minst ene elektriske signal og til å generere et triggersignal som inneholder flere enn én trigger pr. periode av det minst ene elektriske signal, hvor triggerne har uniform bølgetallavstand, hvor den optiske kopler er konfigurert til å dele det optiske referansesignal i første og andre optiske utgangssignaler, hvor det annet optiske utgangssignal er 90 grader ute av fase fra det første optiske utgangssignal, og hvor den minst ene optiske referansedetektor omfatter første og andre optiske referansedetektorer som er konfigurert til å konvertere de første og andre optiske utgangssignaler til første og andre elektriske signaler, hvor det annet elektriske signal er 90 grader ute av fase fra det første elektriske signal.

2. Apparat som angitt i krav 1,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t den optiske kopler omfatter en 4x4 optisk kopler.

3. Apparat som angitt i krav 1,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t triggerenheten er konfigurert til å generere triggere ved null-kryssinger av de første og andre elektriske signaler og ved tidspunkter hvor de første og andre elektriske signaler har like størrelser.

4. Apparat som angitt i krav 3,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t triggerenheten omfatter fire komparatordifferensiatorpar og en summeringsenhet, hvor et første komparatordifferensiatorpar mottar de første og andre elektriske signaler som innganger, et annet komparator-differensiatorpar mottar det første elektriske signal og en invers av det annet elektriske signal som innganger, et tredje komparatordifferensiatorpar mottar det første elektriske signal og jord som innganger, og et fjerde komparator-differensiatorpar mottar det annet elektriske signal og jord som innganger, og hvor en utgang fra hvert komparator-differensiatorpar er tilveiebrakt som en inngang til summeringsenheten, og hvor en utgang fra summeringsenheten er triggersignalet.

5. Apparat som angitt i krav 1, videre

k a r a k t e r i s e r t v e d å omfatte referanse-interferometeret, hvor referanseinterferometeret er konfigurert til å motta en laserlysstråle og til å produsere det optiske referansesignal.

6. Apparat som angitt i krav 1, videre

k a r a k t e r i s e r t v e d å omfatte en laser koplet til referanse-interferometeret, hvor laseren er konfigurert til å produsere laserlysstrålen og til å tilveiebringe laserlysstrålen til referanse-interferometeret.

7. Fremgangsmåte for trigging av uniform bølgetallsampling i et optisk frekvensdomene-reflektometrisystem,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t fremgangsmåten omfatter:

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 7,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t delingen av det optiske referansesignal i de første og andre optiske utgangssignaler omfatter å føre det optiske referansesignal gjennom en 4x4 optisk kopler.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 7,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t triggersignalet inkluderer triggere ved nullkryssinger av de første og andre elektriske signaler og ved tidspunkter hvor de første og andre elektriske signaler har like størrelser.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 7,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t tilveiebringelse av det optiske referansesignal omfatter tilveiebringelse av laserstrålen til et referanse-interferometer, hvor referanse-interferometeret produserer det optiske referansesignal.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, videre

k a r a k t e r i s e r t v e d å omfatte tilveiebringelse av laserlysstrålen til en sensoroppstilling, hvor sensoroppstillingen produserer et optisk sensorsignal, og sampling av det optiske sensorsignal som respons på forekomster av triggerne i triggersignalet.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 11, videre

k a r a k t e r i s e r t v e d å omfatte sveiping av en bølgelengde av laserlysstrålen.

13. Optisk frekvensdomene-reflektometrisystem,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t det omfatter:

en laser konfigurert til å produsere en laserlysstråle;

en første optisk kopler konfigurert til å motta laserlysstrålen fra laseren; et referanse-interferometer konfigurert til å motta laserlysstrålen fra den første optiske kopler og til å produsere et optisk referansesignal, hvor referanseinterferometeret er konfigurert til å tilveiebringe det optiske referansesignal til den første optiske kopler;

14. System som angitt i krav 13,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t den første optiske kopler omfatter en 4x4 optisk kopler.

15. System som angitt i krav 13,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t triggerenheten er konfigurert til å generere triggere ved null-kryssinger for de første og andre elektriske signaler og ved tidspunkter hvor de første og andre elektriske signaler har like størrelser.

16. System som angitt i krav 15,

17. System som angitt i krav 13,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t sensoroppstillingen omfatter et sensoroppstillinginterferometer.

18. System som angitt i krav 17,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t sensoroppstilling-interferometeret omfatter en 2x2 optisk kopler, hvor en første port av den 2x2 optiske kopler er koplet til laseren for å motta laserstrålen, hvor en annen port av den 2x2 optiske kopler er koplet til en første optisk fiber som avsluttes ved en bredbåndsreflektor, og hvor en tredje port av den 2x2 optiske kopler er koplet til en annen optisk fiber som inkorporerer en flerhet av selektivt reflekterende sensorer langs lengden av de annen optiske fiber.

19. System som angitt i krav 18,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t de selektivt reflekterende sensorer omfatter fiberbragg-gitre.