NO860431L

NO860431L - Sammenhengende fordelt avfoeler og fremgangsmaate som anvender bilder med kort sammenhenglengde.

Info

Publication number: NO860431L
Application number: NO860431A
Authority: NO
Inventors: Robert C Youngquist; Janet L Brooks; Kenneth A Fesler; Cassuis C Cutler; Herbert John Shaw
Original assignee: Univ Leland Stanford Junior
Priority date: 1985-02-08
Filing date: 1986-02-07
Publication date: 1986-08-11
Also published as: KR940010057B1; CA1266786A; KR860006690A; EP0191589A2; US4697926A; JPS61204520A; AU5270986A; EP0191589A3

Abstract

Det er beskrevet et fordelt sensorsystem som omfatter en optisk kilde. (100) som har en kort koherenslengde for valgfri kontinuerlig overvåkning av hver sensor i systemet. I en foretrukket utførelse er en rekke fiberoptiske sensorer : (110) anordnet i en stigeutforming hvor sensorene er posisjonert i avstand fra hverandre og definerer trinnene i stigen. Lys som sendes gjennom sensorene blir multiplekset på en returarm (114) av stigen idet sensoravstanden er slik at interferens mellom lys fra forskjellige sensorer blir forhindret. De multipleksede signalene blir mottatt av en fiberoptisk mottager (118, 120) som kopler det multipleksede lyset med et. interfererende optisk referansesignal for å frembringe et fasedif-..feransesignal som representerer tilstander som påvirker valgte sensorer. Det. er. yist utførelser som anvender lyskilder med enten pulset eller kontinuerlig bølge. I en annen foretrukket utførelse består sensorene av én:ilerhet av . Mach-Zehnder . interf erometre (404, 406) forbundet i en sérieutforming ved en felles optisk fiber (402) som tilveiebringer multipleksede utgangssignaler fra sensorene til en flerhet av Mach-Zehnder interferometere (418, 420) som omfatter mottagere. De optiske banelengdedifferansene mellom armene (409, 410, 411, 412) til hver av sensorene (404, 406) er valgt slik at det forhindres interferens mellom de multipleksede sensorutgangssignalene fra forskjellige sensorer. De optiske banelengdene igjennom, sensorene (404, .406) og mottagerne (418, 420) er strukturert slik at hver mottager (418, 420) frembringer et fasedifferansesignal som relaterer seg til tilstander som påvirker lystransmi- I sjonen gjennom en bestemt sensor (404, 406). Det er beskrevet en fase- j og amplitudemodulasjonsteknikk som tilveiebringer heterodyne utgangs- j signaler fra det fordelte sensorsystemet.

Description

Det er beskrevet et fordelt sensorsystem som omfatter en optisk kilde

(100) som har en kort koherenslengde for valgfri kontinuerlig overvåkning av hver sensor i systemet. I en foretrukket utførelse er en rekke fiberoptiske sensorer (110) anordnet i en stigeutforming hvor sensorene er posisjoner i avstand fra hverandre og definerer trinnene i stigen. Lys som sendes gjennom sensorene blir multiplekset på en returarm (114) av stigen idet sensoravstanden er slik at interferens mellom lys fra forskjellige sensorer blir forhindret. De multipleksede signalene blir mottatt av en fiberoptisk mottager (118, 120) som kopler det multipleksede lyset med et interfererende optisk referansesignal for å frembringe et fasedifferansesignal som representerer tilstander som påvirker valgte sensorer. Det er yist utførelser som anvender lyskilder med enten pulset eller kontinuerlig" bølge. I en annen foretrukket utførelse består sensorene av én iflerhet av;;-Mach-Zehnder .interferometre. (404, .406) forbundet i en sérieutforming ved en elles optisk fiber (402) som tilveiebringer multipleksede utgangssignaler fra sensorene til en flerhet av Mach-Zehnder interferometer (418, 420) som omfatter mottagere. De optiske banelengdedifferansene mellom armene (409, 410, 411, 412) til hver av sensorene (404, 406) er valgt slik at det forhindres interferens mellom de multipleksede sénsorutgangssignalene fra -forskjellige : sensorer. De optiske banelengdenei gjennom; sensorene (404; . 406) og mottagerne (418, 420) er strukturert slik at hver mottager (418, 420) frembringer et fasedifferansesignal som relaterer seg til tilstander som påvirker lystransmi-sjonen gjennom en bestemt sensor (404, 406). Det er beskrevet en fase-og amplitudemodulasjonsteknikk som tilveiebringer heterodyne utgangssignaler fra det fordelte sensorsystemet.

Den foreliggende oppfinnelse angår fiberoptiske sensorer og spesielt fordelte fiberoptisk sensorrekker som anvender en lyskilde med kort koherenslengde.

I de senere år er det blitt foretatt aktiv forskning på fiberoptiske innretninger og slike er blitt utviklet for bruk i forskjellige avfølings-anvendelser over et bredt spekter av områder. En grunn for denne interesse er følsomheten til optiske fibre overfor omgivelsestilstander som omgir dem. F.eks. vil faktorer så som temperatur, trykk og akustiske bølger direkte påvirke lystransmisjonsegenskapene til den optiske fiberen. Disse endringer i den fiberoptiske fiberen frembringer en endring i fasen til lyssignaler som forplanter seg i fiberen. Således vil en måling av endringen i fase til optiske signaler som har blitt sendt gjennom fiberen være representative for endringer i omgivelsestilstandene som har påvirket fiberen.

Spesielle anstrengelser er nylig blitt rettet mot utviklingen av systemer som har sensorer anordnet i rekker slik at en antall sensorer kan anvende lys fra en enkelt kilde og tilveiebringe omgivelsesinformasjon i et felles detekteringssted. Ideelt bør en slik rekke bestå av en fiberinngangsbuss som fører lys til et sett av sensorer. Hver sensor vil påføre informasjon om omgivelsen^ på denne optiske bærer. En utgangsfiberbuss vil så samle denne formasjon og bringe den tilbake til et sentralt behandlingssted hvor informasjonen fra en hvilken som helst utvalgt av sensorene umiddelbart kan identifiseres og analyseres.

Formålet med disse utviklingsanstrengelser er å tilveiebringe sensorrekker som kan brukes for spesielle anvendelser så som overvåking av hurtige endringer i omgivelsestilstandene. F.eks. kan slike sensorrekker bli brukt til å detektere akustiske bølger for å bestemme kildelokaliseringen og akustiske egenskaper til disse bølger. På mange slike anvendelser kan det være nødvendig å spre rekkene over et relativt stort område. I disse situasjoner vil erstatningen av elektriske ledninger med fiberoptikk f.eks. kunne overkomme problemer så som elektrisk indusert støy, kabelvekt og sikkerhetsrisiki tilknyttet anvendelsen av de elektriske ledningene. Selv når sensoren blir brukt i et begrenset område, vil fjerningen av elektronikk og masseoptikkomponenter generelt tilveiebringe forbedret system-ytelse på grunn av redusert støy. På den annen side vil erstatningen av lange elektriske ledninger med optiske fibre danne et problem med å forhindre eller fjerne enhver påvirkning av omgivelsestilstander på ikke-sensordelen av systemet. Dette blir derfor en viktig faktor ved utformingen.

Det primære utformingshensynet ved utvikling av en sensorrekke er selvfølgelig fremgangsmåten hvorved informasjon fra hver sensor kan skilles for individuell identifikasjon fra og blant all informasjonen som ankommer til det sentrale behandlingsstedet på den enkle datastrømmen. Fordeltes avfølingssystemer som-nylig er utviklet har generelt anvendt en av to måter for. å skille ut informasjon fra en individuell sensor fra en enk éi-datastrøm. Den første måten består i tidsdivisjonsmultipleksing av sensorutgangs signal ene, og er- beskrevet av A. R. Nelson og D.H. McMahon, "Passive Multiplexing Techniques For Fiber-Optic Sensor Systems," I.F.O.C., side 27, mars, 1981. Ved tidsdivisjonsmultipleksing er det koptiskes;-inngangssignalet /.. vanligvis pulset slik at inngangssignalet består i en pulsbølgeform. Som et resultat frembringer hver sensor en puls som, som en konsekvens av systemgeometrien, blir adskilt i tid fra de andre - sensor signal ene. Spesielt blir den optiske inngangspulsen som sendes gjennom hver sensor plassert på utgangsfiberen av hver av sensorene - i en forskjellig tid.. Ved å styre den relative posisjonen til sensorené,~ j kan ^interfolieringen av pulssignalene bli utført ettersom 'signalene: blir imultiplekset fra sensorene på en returfiberbuss. Disse interfolierte pulssignalene blir så ført tilbake til det sentrale behandlingsstedet hvor demultipleksing og videre signalbehandling finner sted.

Et. problem som er iboende i denne type system er at frekvensen hvorved sensorene kan overvåkes blir . begrenset av antallet sensorer."Spesielt er det å merke seg at en andre puls ikke kan. sendes frå den optiske kilden før det har gått en viss tid. Dersom den andre pulsen blir isendt gjennom sensoren: nærmest kilden før de optiske signalene fra alle. sensorene hadde passert utgarigsterminalen til denne sensor, er: det mulig at signalene som resulterer .fra . den andre pulsen kunne . passere gjennom de første sénsoréne i, .rekken og bli; plassert, på returbusseh før passeringen av optiske, signaler: frembrakt i ;frajsensorer nær enden av rekken. Dette vil sélvfølgelig forhindre .-.••> demultipleksing og ; signalbehandlingsutstyret i " å bestemme ;;forholdet imellom det mottatte. pulssignalet og dets: tilhørende sensor-1 Slike hsystemer.g er derfor r ofte ikke brukbare -i anvendelser : som krever h hurtig gjentatt avføling av omgivelsestilstander. av hver av sensorene i rekken..' .. \

Den andre måten som er blitt brukt for å utskille hver sensors informasjon ; fra:rsignaldatastrømmen: har rvært 'å:: f rekvensdivisjonmultiplekse sénsbrutgångssignalene3:påveen :måte ecsomi er 'beskrevet av : I.P; sGiles, D. Uttam, B.:. Culshåw og; D.E.N. Davies, "Coherent Optical-rFibre : Sensors With .. Modulated. LaserSources,". Electronics Letters, vol. 19, side 14

(1983). Denne måten blir utført ved å frekvensrampe den optiske kilden og anordne rekkegeometrien slik at transittiden til lyset fra kilden til en sensor og tilbake til det sentrale stedet er spesiell for hver sensor. I dette tilfellet blir rekkeutgangssignalet blandet med kildens tilstede-værende utgangssignal og derved frembringes en spesiell senterfrekvens for hver sensor. Omgivelsesinformasjonen blir båret i sidebåndene om denne senter frekvensen.

Et spesielt problem med det ovenforbeskrevne systemet involverer tilbakestillingsperioden når det periodiske rampesignalet blir tilbakestilt fra sin maksimale til sin minimale posisjon. Denne tilbakestillingsperiode omfatter ,,en tid hvor systemdriften ikke kan finne sted siden det ikke er noe rampesignal tilstede, og det vil ikke bli frembrakt noen meningsfylte resultater. Dette gir noe begrensning på hastigheten hvorved omgivelsestilstander kan endre seg og fremdeles bli overvåket pålitelig av sensorsystemet.

Et annet problem med dette spesielle systemet er at antallet sensorer som kan anvendes i rekken eller frekvensområdet til signalene som skal detekteres, er begrenset basert på området av FM-frekvenser som blir brukt i rampesignalet og perioden til rampesignalet. Siden en forskjellig senterfrekvens blir frembrakt på hver sensor, vil mer spesielt mengden av forskjell mellom hver slik senterfrekvens og totalområdet av frekvenser innenfor disse senterfrekvenser være gitt hvilket bestemmer antallet sensorer som kan anvendes. På samme måte vil antallet sensorer sammen med totalområdet av frekvenser bestemme den maksimale differanse mellom senterfrekvenser og således de maksimale omgivelsesfrekvenser som kan detekteres. Frekvensområdene er selvfølgelig bestemt av hellingen og perioden til rampesignalet.

En annen begrensning som erfares av begge måtene som er beskrevet ovenfor er at de er begrenset til kilder med lange koherenslengder siden de krever anvendelsen av interferens mellom det opprinnelige kildesig-nalet og signalet frembrakt av sensoren for å kunne identifisere de ønskede omgivelsestilstander. Således bruker begge disse systemer enten pulsede eller rampede koherente kilder for å frembringe det optiske signalet.

Idéén med å bruke en kilde med kort koherenslengde for å utskille signalene som returnerer fra en serie fra sensorer er blitt foreslått av S.A. Al-Chalabi, B. Culshaw og D.E.N. Davies, "Partially Coherent Sources In Interférometric Sensors," Proceedings of the First International Conference On Optical Fibre Sensors, (I.E.E.E.), side 132, april, 1983. Denne referanse viser bruken av en serie av fjerne Mach-Zehnder interferometere hvor forskjellen i lengde til armene i hvert interferometer er større enn koherenslengden til kilden slik at det ikke er noe interf erenssignal på utgangen fra interferometerne. To optiske fibre forbinder" utgangene til hvert interferometer med inngangene til det neste interferometer. Utgangsfibrene til det siste avfølende interferometeret er forbundet med inngangsportene til et enkelt referanseinter-ferdmeter som har en detektor anordnet på en av sine utgangsporter. Referanseinterferometeret er konstruert av masseoptiske komponenter ogUtformet slik at forsinkelsen i en av armene er variabel. Mottakeren varierer forsinkelsen i den indikerte armen og varierer derved på effektiv måte lengden av den optiske banen gjennom denne armen for å detektere signaler fra hver av de forskjellige interferometriske sensorene i systemet. Reférahseintérferometeret bør være konstruert av masseoptisk komponenter snarere enn fiber slik at dets armlengde kan varieres nok for å tilfredsstille et vesentlig antall sensorer.

Av det ovenstående blir det klart at Al-Chalabi m.fl. referansen viser et system som kan overvåke kontinuerlig hver av de forskjellige sensorene i ét "fordelt"'" system. Snarere détéktérér "Al-Chalabi m.fl. systemet bare dmgivelsestilstånden avfølt åv en hvilken som helst enkelt sensor i et gitt tidspunkta 'Omgivelsestilstandene til alle sensorene kan detekteres bare" periodisk ved'~"'å bvervåke hver sensor etter tur. Frekvensen hvorved dette kan gjøres er begrenset av hastigheten som lengden til den variable armen til mottageren kan varieres med.

Et annet problem méd dette systemet er at i et slikt system Vil rr/2 faseskiftet som opptrer når lys koples mellom to fibre bli viktig. Lys fra en^"inngahgsp^rt:rtii'^et~"avfølingsin'térferometer"""entrer den lengste armen forsinket med n/2 i forhold til"lys som entrer den korteste armen. Lys f ra 'den andre inngangsporten entrer den korteste armen med en relativ forsinkelse på n/2 radianer. Denne forskjell i relativ forsinkelse fører til kansellering mellom signalene tilknyttet lys som entrer hver av de to inngangsportene, slik at dersom alle koplerne var innstilt til en koplingseffektivitet på 50%, så vil i det hele tatt bare den første sensoren frembringe et signal.

På bakgrunn av det ovenforstående vil det være en viktig forbedring på området å tilveiebringe et avfølingssystem og en teknikk for å multiplekse en flerhet av fjerne sensorer uten at man blir utsatt for de ovenforangitte restriksjoner som er iboende i tidsdivisjon og frekvensdivisjons-multipleksoppsettene som tidligere er blitt brukt. Således bør det for-bedrede systemet etter valg være tidsuavhengig slik at det er mulig med i hovedsak" kontinuerlig overvåking av hver av sensorene. Et slikt system bør kunne brukes uten at det kreves anvendelse av elektronikk eller aktive innretninger i omgivelsesavfølingsområdet. Fortrinnsvis bør et slikt system tillate bruk av en hvilken som helst av et bredt spekter av optiske kilder, og det bør være både enkelt og økonomisk å fremstille og bruke i den aktuelle anvendelse.

Den foreliggende oppfinnelse omfatter et koherent fordelt sensorsystem og en fremgangsmåte som fortrinnsvis anvender en lyskilde med kort koherenslengde for å utføre koherensmultipleksing av en rekke av fiberoptiske sensorer. Generelt innbefatter oppfinnelsen en lyskilde; første og andre lysbaner for lyskilden, hvor den første og andre bane er adskilt i det minste et avfølingsområde og er sammenføyd i et transmisjonsområde som omfatter en enkelt felles forplantningsbane, og hvor nevnte første og andre lysbaner blir utsatt for en omgivelsespåvirkning i avfølings-området; tredje og fjerde lysbaner som har hovedsakelig samme lengde som de respektive første og andre lysbaner og som er optisk koplet til transmisjonsområdet til den første og andre lysbane, og hvor nevnte tredje og fjerde lysbaner ikke blir utsatt for den samme omgivelsespåvirkning som nevnte første og andre lysbaner; og en innretning for å kombinere lys fra den første, andre, tredje og fjerde lysbane, idet nevnte innretning på koherent måte kopler lys bare fra lysbaner som i hovedsak korresponderer i lengde med en bestemt av den første og andre bane til enhver tid.

Mere'spesielt omfatter sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse generelt en optisk kilde med kort koherenslengde som er optisk koplet til en første flerhet av bølgeledersegmenter som definerer i det minste en del av første og andre lysbaner for lys koplet fra lyskilden. Den første og andre lysbane blir utsatt for en omgivelsespåvirkning ved første og andre steder. I det minste et andre optisk bølgeleder-segment er tilveiebrakt for å forplante lys gjennom i det minste en del av tredje og fjerde ..lysbane. Den tredje og fjerde lysbane er i hovedsak lik i. lengde med den respektive første og andre lysbane, men den tredje og fjerde lysbane er like utsatt for den samme omgivelsespåvirkning som den første og andre lysbane. Et tredje optisk bølgeledersegment er optisk"koplet til én av de første flerhet av optiske bølgeledersegmenter og til det andre optiske bølgeledersegment slik at lys fra den første f lerhet av^bølgeledersegmenter - blir : forplantet til den optiske forbindelse med det andre bølgeledersegmentet bare gjennom det tredje optiske bølgeleder--segmentet.. I i det minste en foretrukket utførelse av oppfinnelsen eksisterer ikke den tredje og fjerde lysbane samtidig..

Elektroniske detektorer som mottar det koplede lyset fra innretningen for å kombinere lys er fortrinnsvis optisk koplet til denne innretning. Det koherent koplede lyset består i et fasedifferansesignal som korresponderer med differansen i fase. mellom lys som har forplantet seg gjennom en utvalgt av den første og andre lysbane og lys som har gjennomløpt i den tredje eller fjerde optiske bane som er av samme lengde. Denne faseforskjell er representativ for omgivelsestilstanden som påvirker den valgte lysbanen i , sensorsystemet. Detektorne . er vanligvis •forbundet med andre- informasjohsbehandlingsinnretninger for å overvåking .og. evaluering av de 1 bestemte omgivelsestilstander som. er blitt detektert.

I en foretrukket utførelse omfatter oppfinnelsen en "parallell" utforming i hvilken lys fra laseren med en kort koherenslengde blir sendt inn i en

.enkelmodusfiber og så blir/. splittet av: en retningskopler -til to baner. Delen av. lyset; som tar den første banen entrer en inngangsfiberoptisk buss og blir fordelt til en flerhet av optiske fibre eller andre komponenter så . som -elektroniske vtransdusere-som utgjør sensorer som hver ér optisk forbundet ved en terminal til den fiberoptiske innngangsbussen, og som er forbundet ved sin andre terminal til en fiberoptisk buss, og

derved tildannes en stigeutforming. Delen av lys som tar den andre banen entrer en fiberoptisk avtappet forsinkelseslinje og opptrer som et referansesignal.

Hver sensor påfører fortrinnsvis omgivelsesinformasjon i lyset som passerer gjennom denne i form av modifikasjoner i den optiske fasen. Lys fra hver av sensorene blir optisk koplet til den fiberoptiske returbussen. Lys blir optisk koplet fra returbussen av kopiere posisjonert langs en annen del av dens lengde til en flerhet av optiske fibre som omfatter avtapninger. Forskjellen mellom lengdene til hver av lysbanene definert ..av den fiberoptiske inngangsbussen, en individuell sensor og den fiberoptiske returbussen er mye større enn koherenslengden til den optiske kilden, slik at intensitetmodulasjon ikke finner sted når lyset fra hver sensor blir samlet på den fiberoptiske returbussen.

Lys fra returbussens avtapningslinje blir blandet med lys som har blitt avkoplet fra forsinkelseslinjen av optiske fibre posisjoner i bestemte steder langs forsinkelseslinjen. Disse fiberavtapninger er posisjonert slik at forsinkelseslinjen og hver optisk fiberavtapningslinje definerer en optisk banelengde som i hovedsak er lik den tilhørende inngangsbussen, sensor, utgangsbuss og avtapningsbanelengde. Forsinkelseslinjen eller referansearmen er skjermet fra omgivelsene slik at hver detektor måler omgivelsesinformasjon som består av forskjellen i fasen mellom lyset som har gjennomløpt sensorlysbanen, og lys som har gjennomløpt den korresponderende forsinkelseslinjen. Generelt omfatter signalet som måles av en detektor omgivelsesinformasjon tilknyttet inngangs- og returbussene så vel som sensoren. Dette er vanligvis uønsket. To løsninger på dette problemet er mulig: enten må fiberne i inngangs- og utgangsbussene være skjermet; eller det sørges for elektronisk fratrekking av signalene som mottas i tilliggende detektorer og det blir tilveiebrakt differansesignaler som er uavhengige av fasevariasjonen indusert på bussene, unntatt i området mellom de korresponderende sensorene. Som et resultat relaterer denne differanseinformasjon seg direkte til omgivelsestilstandene som påvirket den bestemte sensoren.

I en annen foretrukket utførelse er det ovenforbeskrevne systemet modifisert ved at det ikke er tilveiebrakt noen fiberoptisk forsinkelses linje. I stedet er det konstruert et Mach-Zehnder interferometer i den fiberoptiske returbussen og signaler fra lyskilden blir pulset på den fiberoptiske inngangsbussen. Pulsene er tidsbestemt slik at returpulsene fra sensorene ikke overlapper hverandre eller med pulser fra den neste samplingen av rekken. Armene til Mach-Zehnder interferometer et har forskjellige lengder, og differansene i armlengder er lik differansen i banelengder, mellom ...hver to tilliggende sensorer. Følgelig forårsaker interferometeret blanding av utgangssignalene til tilliggende sensorer og igjen måles gradienten til omgivelsesparameteren. En frekvensskifter kan være plassert i en arm av Mach-Zehnder interferometeret for å frembringe et heterodynutgangssignal.

En annen" foretrukket utførelse omfatter en modifikasjon av parallellsystemet beskrevet til å begynne med, hvor den optiske fiber forsinkelseslinjen innbefatter en variabel forsinkelsesegenskap, og hvor forsinkelseslinjen er optisk koplet ved sin ende til returbussen fra sensorstigenett-<y>erket. Utgangssignalet frembrakt av den koplede forsinkelseslinjen og returbussen frembringer et fasedifferansesignal som i ethvert gitt tidspunkt er representativt for omgivelsestilstandene som påvirker. denne sensor som er del av en optisk bane som i hovedsak er tilpasset referansesignalbanelengden i forsinkelseslinjen ved dette tidspunkt. Ved hurtig å endre den optiske banelengden til den variable forsinkelseslinjen, kan systemet hurtig avsøkes slik at enhver sensor kan overvåkes uten pulsing av inngangssignalet fra lyskilden. Etter valg kan en frekvensskifter være plassert i den variable forsinkelseslinjen for å frembringe et heterodynutgangssignal..

En .,fremovermatende. utførelse, av systemet beskrevet like ovenfor kan være tilveiebrakt. ved å • anvende .dobbeltbrytende fiber som den optiske inngangsfiberen hvor de to polarisasjonsaksene til denne fiber opptrer som inngangs- og utgangsbussene. Avtapninger er plassert langs fiberen for å kople: lyset mellom disse to polarisasjonsakser. Siden de to.polarisasjonsaksene til.. denne utforming har svært like gruppehastigheter, behøver ikke den variabel forsinkelseslinjen å søke over et stort område selv om det nå eksisterer lasere med en koherenslengde som er god nok til at avtapninger ; kan plasseres rimelig nær . hverandre uten å påvirke hverandre merkbart.. : , .... v Nok en foretrukket utførelse omfatter anvendelse av et parallellsystem som beskrevet foran hvor den fiberoptiske returbussen er direkte forbundet ved sin enden til enden av fiberforsinkelseslinjen, og hvor lyskilden frembringer pulsede optiske signaler som blir rettet gjennom en strålesplitter eller retningskopler og derved delt mellom den optiske inngangsfiberen og fiberforsinkelseslinjen. Lyspulsen som entrer rekken fra den optiske inngangsfiberen sampler omgivelsen gjennom sensorene tidligere enn pulsen som ble sendt gjennom fiberforsinkelseslinjen. Pulsene som ble plassert på inngangsreturbussene av en valgt sensor vil returnere, og interferere i strålesplitteren eller kopleren. Siden disse pulser b\ e sendt gjennom sensoren i forskjellig tidspunkter, vil inter-ferenssignålet som de frembringer være en representasjon av endringen i sensoren over tid. Signalet frembrakt av de interfererende pulsene vil bli sendt fra strålesplitteren eller retningskopleren til en detektor. Etter valg kan den andre optiske fiberen omfatte en arm av et Mach-Zehnder interferometer som innbefatter en fiberforsinkelseslinje på sin andre arm og en frekvensskifter for å gjøre utgangssignalet heterodynt, og for å betrakte gradienten til endringene i omgivelsen ettersom de påvirker hver sensor med tiden.

En ytterligere foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelse består i en "serie" utforming av rekken. I denne utforming blir lys sendt gjennom en enkeltmodusfiber og inn i en serie med Mach-Zehnder interferometere som har armer med forskjellige lengder. Hver av interf erometerne omfatter en av sensorene i rekken. Sensorene er konstruert ved å anvende retningskoplere for å dele lyset og hvor koplingskonstanten til hver kopler er bestemt av antallet sensorer i systemet. De optiske banedifferansene gjennom de forskjellige sensorene er valgt slik at de er mye lenger enn kildens koherenslengde, slik at en endring i den relative fasen mellom armene til interferometeret ikke vil bli omformet til detekterbar intensitetsmodulasjon ved sensorutgangene. Informasjonen påført lyset i hver sensor er forskjellen i fase mellom lyset som forplanter seg i de to armene til interferometeret.

Lyset fra sensorene blir fortrinnsvis sendt via en felles fiberoptisk buss til et antall av mottaks-Mach-Zehnder interferometre som hver har to armer hvis lengde har en forskjell som i hovedsak er tilpasset arm-lengdedifferansene til en korresponderende av sensorene. Således har hver sensor fortrinnsvis et mottaksinterferometer med en korresponderende armlengdedifferanse. Som et resultat blir fasemodulasjonssignalet fra sensoren omformet til amplitudemodulasjon av mottaksinterferomet-rene slik at fotodetektorer på utgangen til hvert mottaksinterferometer ^vil; -kunne . overvåke, . amplitudemodulasjonen som korresponderer med :fasemodulasjonen til den tilhørende sensor og frembringe et signal som er representativt for omgivelsestilstanden som påvirket denne sensor. Denne utforming er trådufølsom siden signalene blir ført på en felles fiber unntatt i., sensoren eller mottaksinterferometeret. Således er omgivelsesskjerming bare nødvendig på mottaksinterferometeret for å kunne få frem signaler som, dersom egnet teknikk blir brukt til å unngå signalfading, direkte reflekterer endringer i den valgte sensoren.

Nok en foretrukket utførelse av oppfinnelse omfatter et hybridar range-'ment hvor lyssignalet frå laserdioden blir sendt gjennom en inngangsfiber til en serie av optiske fibre utformet i et stigearrangement, hvor hver sensor består av et Mach-Zehnder interferometer. Utgangssignalet fra hver sensor blir kombinert på en returbuss på samme måte som er beskrevet for parallellutformingen. Returbussen er imidlertid optisk koplet for å sende de kombinerte signalene fra sensorene til en flerhet av Mach-Zehnder mottaksinterferometeret som er anordnet i et arrangement slik som det som er beskrevet ovenfor for serieutformingen. Dette system innehar trådufølsomhet på samme måte som seriesystemet.

Den foreliggende oppfinnelse innbefatter også fortrinnsvis ét nytt apparat og en teknikk som kan anvendes i de forskjellige utforminger av oppfinnelsen for å tilveiebringe et heterodynlikt. utgangssignal uten anvendelsen av en optisk frekvensskifter. Ved heterodynbearbeidelse blir frekvensen"til signalet endret slik at informasjonen som signalet 'inneholder blir båret i sidebåndfrekvenser til den resulterende ikke-null senterfrekvensen.. Heterodynbearbeidelse er ønskelig siden denne overkom-mer problemet. med signalfading på grunn' åv lavfrekvensomgivelsespåvirk-ning på fiberen. I tillegg kan heterodynsignalet umiddelbart evalueres ved anvendelse av konvensjonelt elektronisk utstyr så som . spektrumanalysato-xer, FM-demodulatoref eller fasedetektorer. Den foreliggende oppfinnelse unngår bruken av en frekvensskifter for heterodynbearbeidelsen ved at det er tilveiebrakt en fasemodulator i mottakerdelen av sensoren sammen med en signalbehandlingsteknikk for å bringe det resulterende fasemodu-lerte signalet til et frekvensskiftet elektronisk signal. Fasemodulatoren blir drevet med en frekvens som er mye høyere enn frekvensen til signalet i sensoren. En svitsjekomponent, så som en port, ble brukt for å modulere det elektroniske signalet fra den optiske detektoren på en måte som er synkronisert med driften av fasemodulatoren. Således multipliserer utgangssignalet fra mottakeren på effektiv måte det detekterte signalet med en firkantbølge med den høyere modulatosjonsfrekvensen og blander de harmoniske til denne modulasjonsfrekvensen inn i signalet. Siden ulike og like ..harmoniske aldri fader samtidig, er det mulig å eliminere signalfading ved å blande de to harmoniske som beskrevet. Når modula-sjonsamplituden til fasemodulatoren og synkroniseringen til porten er justert på riktig måte, vil utgangssignalet bestå av et heterodynlikt signal rundt en av modulasjonsfrekvenssidebåndene.

De fordelte rekkesensorene til den foreliggende oppfinnelse omfatter et system og en teknikk for å multiplekse fjerne sensorer som er nøyaktige og som er optisk tidsuavhengige slik at i hovesak kontinuerlig overvåkning av hver sensor er mulig, hvilket tillater detektering av hurtig endrende omgivelsestilstander som påvirker sensorene. Oppfinnelsen tillater bruk av optiske kilder som har en kort koherenslengde, slik at et bredt spekter av kommersielt tilgjengelige lasere som er mindre kostbare og mer kompakte er de som er har lengre koherenslengde. Videre oppfyller oppfinnelsen fortrinnsvis sitt formål i en helfiberoptisk utforming hvilket eliminerer unødvendige elektroniske komponenter som minsker systemytelsen ved å redusere påliteligheten og øke kompleksitet-en. Systemet kan utformes slik at det er trådufølsomt hvilket tillater anvendelsen av lange liner mellom sensorer uten at det er behov for omgivelsesavskjerming av disse liner. Oppfinnelsen innbefatter også en teknikk for på effektiv måte å heterodynbehandle utgangssignalet, hvilket fjerner behovet for frekvensskiftere i hvert mottaksinterferometer, og derved reduserer ytterligere kostnadene og øker nøyaktigheten til avfølingssystemet. Oppfinnelsen er nærmere definert i de etterfølgende patentk ravene.

.Oppfinnelsen skal nå beskrives under henvisning til tegningene hvor: Fig. 1 viser skjematisk en foretrukket utførelse av et koherent fordelt

fiberoptisk sensorsystem i en parallellutforming.

Fig. 2 viser i snitt en utførelse av en fiberoptisk retningskopler for anvendelse i det fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse.... Fig. 3 viser skjematisk en annen foretrukket utførelse av det koherent .. fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfin-neise innbefattende en pulset optisk kilde og et Mach-Zehnder interferometer koplet til returbussen fra det parallelle sensor-stigearrangementet. Fig. 4 omfatter en annen foretrukket utførelse av det koherent fordelte sensorsystemet til den foreliggende oppfinnelse innbefattende en variabel forsinkelseslinje forbundet .med returbussen fra sensorrekken. Fig. 5 viser skjematisk nok en foretrukket utførelse av det koherent fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse innbefattende et forovermatende arrangement som anvender en dobbeltbrytende fiber for sensorrekken hvor de to signalbanene i den parallelle armen består av de to polarisasjonsaksene til den dobbeltbrytende fiberen. Fig. 6 viser skjematisk nok en foretrukket utførelse av det. koherent fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfin--neise, og illustrerer et parallellarrangement som måler den tidsderiverte til omgivelsesparameteren. Fig. 7 viser skjematisk nok en foretrukket utførelse av det koherent fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfin-• neise, og Mlustrefer driftsprinsippet for en serieutforming av

..... sensorrekken.

Fig. 8 viser skjematisk nok en foretrukket utførelse av det koherent fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse omfattende en modifikasjon av serieutformingen på fig. 7, hvor fiberne fra begge portene til hver sensor fortsetter for å danne den neste sensoren. Fig. 9 viser skjematisk en ytterligere foretrukket utførelse av den koherente fordelte sensor i henhold til den foreliggende oppfinnelse og omfatter en hybridutforming som består av en kombinasjon av de parallelle serieutformingene av systemet. Fig. 10 , viser skjematisk en forenklet versjon av serieutformingen til den koherente fordelte sensoren og innbefatter en enkel sensor og en enkel mottager. Fig. 11 viser skjematisk en forenklet versjon av serieutformingen til den koherente fordelte sensoren, og illustrerer en teknikk for frekvensskifting av utgangssignalet fra fordelte sensorer under anvendelse av fasemodulatorer og porter. Fig. 12 viser i perspektiv en utførelse av en fiberoptisk polarisasjonsstyreinnretning for anvendelse i den fordelte sensoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Fig. 13 viser i adskilte perspektiv en innretning som kombinerer en diskret variabel forsinkelseslinje med en kontinuerlig variabel forsink elseslinje. Fig. 14 viser et tverrsnitt av en kontinuerlig variabel fiberoptisk

kopler.

Fig. 15 viser i perspektiv en sammensetning som blir brukt for å

justere banelengden til den variable forsinkelseslinjen.

Fig. 16 viser i tverrsnitt en kontinuerlig variabel fiberoptisk kopler med et flatt substrat. Fig. 17 og 18 viser kopleren på fig. 16 i de respektive maksimale og

minimale forsinkede posisjoner.

Fig. 19 og 20 viser kombinasjoner av diskret variable forsinkelsesinnretninger med kontinuerlig variable forsinkelsesinnretninger for å frembringe kontinuerlige variable forsinkelser over relativt lange forsinkelsesperioder.

Oppfinnelsen forstås best med henvisning til figurene hvor like deler er benevnt med like nummer gjennomløpende.

Fig. 1 viser en foretrukket utførelse av en "parallellutforming" som består av et séhsorrekkesystem for overvåkning av omgivelsestilstander som påvirker en flerhet av fordelte sensorer. Lyskilden som blir brukt i denne utførelsen består av en laserdiode 100 som fortrinnsvis har en kort koherenslengde.

Koherenslengde betyr lengden som signalinterferenseffekter i den aksielle retningen kan oppnås over. Fagkyndige vil forstå at koherenslengden (as) kan defineres, for i det minste for noen typer laserkilder, ved det følgende forhold:

Vg

_ = AS (1)

2lTAf

hvor: 2Af = optisk båndbredde ved 1/2 maksimal effekt;

Vg = gruppehastigheten til lys i en optisk fiber.

Fra ligning (1) blir det således klart at koherenslengden øker ettersom den spektrale renheten til laseren forbedres. Det vil også forstås av fagkyndige at i sammenligning med tidligere kjente systemer som krever lengre koherenslengdekilder, vil et sensorsystem som kan anvende korte koherenslengdesignalkilder omfatte et alsidig system hvori en hvilken som helst av et. stort, antall laserlyskilder kan bli brukt heri innbefattet relativt rimelige og kompakte diodelasere.

I den viste utførelsen består lyskilden 100 av en Aluminum Galium Arsenide (AlGaAs) laser som frembringer lys som har en bølgelengde i størrelsesorden omtrent 790 nm. Som et spesielt eksempel kan lyskilden 100 bestå av en model NDL 3000 laserdiode, kommersielt tilgjengelig fra NEC Electronics, USA, Inc., 252 Humbolt Court, Sunnyvale, California, 94086.

Laserdioden 100 er optisk koplet til en optisk fiber som omfatter en fiberoptisk inngangsbuss 102. Den første retningskopler 104 er posisjonert på inngangsbussen 102 hvilken kopler kopler noe av den optiske effekten til en andre optisk fiber som omfatter en optisk forsinkelseslinje 106. I den viste utførelse er retningskopleren 104 av den samme typen som andre rethingskoplere anvendt i sensorsystemet. En foretrukket utførelse av en retningskopler som kan bli brukt i systemet er vist i det følgende og er beskrevet detaljert i den parallelle US-patentsøknad med serienummer 300.955, inngitt 10. september 1981, og som har tittel "Fiber-Optic Directional Coupler" som er en delvis videreføring av US-patentsøknad med serienummer 139.511, inngitt 11. april 1980, og som har tittel "Fiber-Optic Directional Coupler", og begge nevnte patentsøknader tilhører eieren av den foreliggende oppfinnelse. Disse parallelle søknader er herved innlemmet som referanse.

En flerhet av retningskoplere 108a, 108b, ... 108n er også anordnet i valgte steder langs den fiberoptiske inngangsbussen 102. Grunnlaget for valget av lokaliseringene til koplerne 108 på inngangsbussen 102 vil bli forklart mer fullstendig i det etterfølgende.

En flerhet av optiske fibre 110a, 110b, ... 110n har hver en første ende som strekker seg gjennom porter til en korresponderende optisk kopler 108a, 108b, ... 108n. De optiske fibrene 110 omfatter fiberoptiske sensorer som er posisjonert i omgivelsen for å være følsom for og bli påvirket av endringer i omgivelsestilstandene som omgir sensorene 110. I denne så vel som i hovedsaken alle de andre utførelsene av oppfinnelsen kan innretninger så som transdusere være forbundet med de optiske fiberne i systemet t og bli brukt som sensorer 110 for å reagere på omgivelseseffekter ved å påvirke flyten av lys gjennom disse optiske fibrene. F.eks. kan en akustisk transduser være forbundet med en optisk fiber 110 for å øke den akustiske sensitiviteten til denne fiberen.

Den andre enden av hver av sensorene 110 passerer gjennom en av en flerhet av retningskoplere 112a, 112b, ... 112n. Koplerne 112 er posisjonert i valgte steder på en fiberoptisk returbuss 114 og bringer sensorene 110 i optisk koplingsforhold med returbussen 114. Det vil forstås det ovenfor beskrevne forhold definerer et stigenettverk for sensorarmen til avfølingssystemet.

På returbussen 114, adskilt fra senorstigenettverket, er det også posisjonert en flerhet av retningskoplere 116a, 116b, ... 116n. Hver av koplerne 116 er også posisjonert i valgte steder langs returbussen 114, som det vil bli forklart mer fullstendig i det etterfølgende.

En første ende av en av en flerhet optiske fibersegmenter 118a, 118b, 118n er festet innenfor hver retningskopler 116 for å være optisk koplet til returbussen 114. En retningskopler 120a, 120b, ... 120n er festet til den andre enden av hvert av de optiske fibersegmentene 118. Innenfor hver av retningskoplerne 120 er det også festet den ene enden av en flerhet av tilleggsoptiske fibersegmenter 122a, 122b, ... 122n. Hver av de optiske fibersegmentene 122 er festet ved sine andre ender til retningskoplere 124a, 124b, ... 124n som hver er posisjonert i valgte steder langs forsinkelseslinjen 106 for å kople optiske signaler fra forsinkelseslinjen 106 til fibersegmentene 122.

En detektor 126a, 126b, ... 126n er optisk forbundet med den andre enden av hvert fiberoptisk segment 118 og 122. Detektorne 126 fungerer slik at de mottar det optiske signalet fra fiberne 118 eller 122 etter at signalene i fiberne 118 og 122 er blitt koplet i kopiere 120. Spesielt kan en foretrukket utførelse av en detektor for anvendelse i systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse vare en model HAD1100 detektor, kommersielt tilgjengelig fra E.G. & G. Corp., 35 Congress Street, Salem, Massachusetts, 01970.

De forskjellige komponentene i systemet på fig. _ 1 er lokalisert i systemet som en funksjon av koherenslengden til laserdioden 100. Spesielt må forskjellen mellom lengdene til de optiske banene gjennom sensorene som målt mellom koplerne 108a og 112a være større enn en koherenslengde til laseren 100 slik at intensitetsmodulasjon ikke finner sted når lys sendt fra laseren 100 gjennom hver av sensorene 110 blir samlet på fiberretur-bussene 114. Således må den optiske banelengden til sensor 110b definert fra kopler 108a til kopler 108b og gjennom fiber 110b til kopler 112b til kopler 112a være i det minste en koherenslengde (Lc) til laseren 100 større enn den optiske banelengden til sensor 110a definert fra kopler 108a gjennom fiber 110a til kopler 112a.

Lengdene, til hver optisk bane definert ved forsinkelseslinje 106 og de optiske fibersegmentene 122 (indikert som Li, L2, ... Ln) i hovedsak være tilpasset den korresponderende optiske sensorbanelengde (lj_, I2, ... ln). Ettersom mistilpasning økes mellom banelengden til en gitt sensor (ln) og den korresponderende returbanelengden (Ln), vil egenskapen til det avfølte signalet til å interferere ved referansesignalet og frembringe et nøyaktig fasedifferansesignal bli redusert, omtrent eksponensielt.

I drift blir et optisk signal tilveiebrakt fra laseren 100 til den optiske inngangsbussen 102. Det optiske signalet i bussen 102 blir delvis koplet av retningskopleren 104 inn i den fiberoptiske forsinkelseslinjen 106 hvor det fungerer som et referansesignal. Deler av det optiske signalet som fortsetter å forplante seg gjennom inngangsbuss 102 blir koplet via kopiere 108 til sensorer 110, hvor omgivelsesinformasjon blir innført i lyset i form av modifikasjoner av den optiske fase frembrakt av endringer i sensorer 110 som et resultat av de eksterne omgivelsespåvirkninger.

De optiske signalene fra hver av sensorene 110 blir koplet via retningskoplere 112 til den fiberoptiske returbussen 114. Det er å merke seg at når differansen i sensorens optiske banelengder er mye større enn Lc, finner ikke intensitetsmodulasjon sted ved samlingen av de optiske signalene på den fiberoptiske returbussen 114 og således interfererer ikke signalene med hverandre.

De optiske signalene som forplanter seg ned returbussen 114 blir delvis koplet ved hver av retningskoplerne 116 til de optiske fibersegmentene 118 hvor signalene blir tilpasset i kopiere 120 mot referansesignaler som har blitt koplet fra forsinkelseslinjer 106 via retningskoplere 104 til optiske fibersegmenter 122 som er festet i koplerne 120. Siden sensor-banelengden ln i hovedsak er tilpasset den korresponderende referanse-banelengden Ln, og forutsatt at det ikke er noen påvirkning på signalene på grunn av tap i kopiere og andre elementer i systemet, vil den relative fasen til signalene som blir sammenlignet i kopiere 120 være uendret dersom ikke omgivelsespåvirkning har virket på en av de optiske banene. Forsinkelseslinjen 106 er fortrinnsvis skjermet fra omgivelsespåvirkninger, mens i det minste sensordelen 110 til sensorbanen er utsatt for omgivelsespåvirkninger. Således vil fasedifferansesignalene sendt gjennom detektorne 120 representere omgivelsestilstander som har påvirket fasen til det optiske signalet som ble sendt gjennom den tilhørende sensorbane.

Uten å skjerme inngangsbussen 102 og returbussen 114 ser hver detektor 126 ikke bare omgivelsesinformasjon fra hver sensor 110, men også informasjon fra inngangsbussen 102 og utgangsbussen 114. En måte å få omgivelsesinformasjon til å relatere seg til bestemte sensorer uten å skjerme inngangsbussen 102 og utgangsbussen 114 er å elektronisk fratrekke signaler mottatt av tilliggende detektorer så som 126a og 126b. Differansesignalet frembrakt ved slik subtraksjon er uavhengig av fasevariasjoner indusert på inngangsbussen 102 og utgangsbussen 114 siden disse fasevariasjoner vil være representert i begge signalene som mottas fra de tilliggende detektorene. Den eneste informasjonen som ikke er felles for begge signaler er informasjonen plassert i signalene mens de forplanter seg separate baner gjennom de forskjellige sensorene 110a og 110b og delen av inngangs- og utgangsbusser ,102 og 114 mellom sensorene 110a og 110b. Således representerer signalet frembrakt ved slik subtraksjon bare hvordan disse fasevariasjoner som. eksisterer i området mellom tilliggende sensorer 110a og 110b endrer seg over dette området. Som respons på enhver omgivelseseffekt som påvirker tilliggende sensor identisk vil således subtraksjonsprosessen ikke frembringe noen endring i utgangssignalet. I lys av det ovenstående vil det sees at utførelsen på fig. 1 tilveiebringer .en innretning hvorved omgivelsespå virkningene på hver sensor 110a, 110b, ... 110n kan overvåkes individuelt og kontinuerlig.

I utførelsen på fig. 1, så vel som i de andre utførelsene beskrevet her, kan en. frekvensskifter være anordnet i systemet, så som på. forsinkelses linje 106 i fig. 1, mellom kopiere 104 og 124a. Frekvensskifteren ble brukt for å endre frekvensen til det optiske signalet på forsinkelseslinjen 106 og derfor å "heterodynbehandle" det tilpassede optiske signalet detektert av detektorer 126. Ved heterodynbehandling blir det fasemodu-lerte optiske signalet som returnerer fra sensorbanene ln båret i utgangslinjen som entrer detektorne 126 som en relativt lav frekvens-fasemodulasjon av et amplitudemodulert optisk signal med høyere frekvens. Heterodynbehandlingen tilveiebringer en fremgangsmåte ved hvilken omgivelseseffekter med lavere frekvenser kan hindres i å redusere systemets følsomhet for små signaler i det ønskede frekvensområdet...Således kan disse omgivelseseffekter i det ønskede frekvensområdet mer umiddelbart bli identifisert.

En foretrukket utførelse av en frekvensskifter som kan anvendes for dette formål er en Bragg Cell modulator, som er velkjent og hvorav mange typer er kommersielt tilgjengelige. Slike frekvensskiftere består av massiv optikk som blir innskutt i systemet ved å skille fiberen. Lys blir koplet til og fra slike massive optiske innretninger ved hjelp av linser. Det er tydelig at anvendelsen av massiv optikk så som Bragg Cells for frekvensskiftere øker systemtapet og reduserer totaleffektiviteten og kvaliteten på ytelsen. En annen teknikk for å få til heterodynbehandling i det koherente fordelte sensorsystemet i henhold til foreliggende oppfinnelse uten behov for frekvensskiftere og uten å bli utsatt for tapene som er involvert i anvendelsen av massiv optikk, er beskrevet detaljert i det etterfølgende med en referanse til fig. 11.

Med hensyn til koplingen av lyssignaler i den foreliggende oppfinnelse kan en mer detaljert beskrivelse av en foretrukket fiberoptisk retningskopler som kan omfatte kopiere 104, 108 og 112 f.eks., være tilveiebrakt med referanse til fig. 2. Spesielt omfatter denne kopler to optiske fibertråder merket 150a og 150b på fig. 2 til et enkeltmodus fiberoptisk materiale som har en del av kappen fjernet fra sin ene side. De to trådene 150a og 150b er montert i respektive buede spalter 152a og 152b tildannet de respektive blokker 153a og 153b. Trådene 150a og 150b er posisjonert slik at delene av trådene hvor kappen er blitt fjernet er anordnet i et næravstandsforhold for å danne et samvirkeområde 154 i hvilket lyset blir overført mellom fjernedelene til trådene. Mengden av materialet som er fjernet er slik at fjernedelen til hver tråd 150a og 150b ligger innefor flyktigfeltet til den andre. Senter-til-senteravstanden mellom trådene ved senteret av kopleren er vanligvis mindre enn 2 til 3 kjernediametere.

Det er viktig å merke seg at lyset som blir overført mellom trådene i samvirkeområdet 154 er rettet. Det vil si at i hovedsaken alt lyset som påtrykkes inngangsport .A blir levert til utgangsportene B og D uten motrettet kopling til port C. På samme måte blir i hovedsak alt lyset som påtrykkes inngangsport C levert til utgangsportene B og D. Videre er denne retningsbestemtheten symmetrisk. Således blir lys matet til enten inngangsport B eller utgangspprt D levert til utgangsportene A og C. Enn videre er kopleren i hovedsak ikke-diskriminerende med hensyn til polarisasjoner og den bevarer således polarisasjonen til det koplede lyset. Dersom f .eks. en lysstråle som har en vertikal polarisasjon blir innmatet på port A, vil lyset som blir koplet fra port A til port D, liksom lyset som passerer rett gjennom fra port A til port B forbli vertikalt polari-

Av det foregående kan det sees at kopleren kan fungere som en strålesplitter for å dele det påtrykte lyset i to optiske baner hvilket blir utført av kopleren 104 på fig. 1.

I utførelsen vist på fig. 2 har kopleren en koplingseffektivitet som kan varieres basert på posisjoneringen av fiberne med hensyn til hverandre. Som det er brukt her er uttrykket "koplingseffektivitet" definert som effektforholdet til den koplede effekten i forhold til den totale utsendte effekten uttrykt som en prosentdel. Som et eksempel refereres til fig. 2. Dersom lys..blir påtrykt port A, vil. koplingseffektiviteten være lik forholdet, mellom effekten på port D og summen av effekten sendt ut på portene B og D.

I den parallelle utformingen av den fordelte sensoren på fig. 1 er det nødvendig " med omhyggelig justering av de relative banelengder og av koplingseffektivitetene til koplerne. En foretrukket utførelse av oppfinnelsen som forenkler systemet noe er vist på fig. 3. I utformingen på fig.

3 er det tilveiebrakt ét optisk; signal fra laser 100 :.inn i . fiberoptisk inngangsbuss 102, hvor det ble koplet via retningskoplere 108a-108n inn i sensor 110a-110n, og så gjennom kopiere 112-112n inn i den fiberoptiske returbussen 114. Differansen i tilliggende sensorers optiske banelengde bør være større enn kildekoherenslengden til laseren 100.

I utførelsen på fig. 3 er den optiske kilden pulset slik at den frembringer en inngangspuls 201 som blir fordelt til de forskjellige sensorer 110 via inngangsbuss 102 og retningskoplere 108a-108n. Ettersom pulsen 201 forplanter seg ned ledning 102 og blir fordelt til de forskjellige sensorene 110, blir en streng av pulser 203 frembrakt på returbuss 114 hvor hver puls i strengen kommer fra en forskjellig sensor 110. Avstanden mellom hver puls i strengen 203 er basert på den optiske banedifferansen mellom tilliggende sensorer 102. Således vil den første pulsen i strengen korrespondere med pulsen som ble sendt via sensor 110a, siden denne optiske puls hadde den korteste forplantningstiden mellom laseren 100 og returbussen 114. På samme måte vil den andre optiske pulsen korrespondere med pulsen tilveiebrakt fra sensor 110b siden denne pulsen hadde den nest korteste optiske banelengden fra laseren 100 til returbussen 114. Avstanden til pulsene i denne utførelsen er ikke basert på koherenslengden til den optiske kilden siden dette pulsede systemet ikke er koherensavhengig. Derfor kan en optisk kilde av et bredt spektra av koherenslengder bli brukt i denne utførelsen. Selvfølgelig må pulslengden til pulsene fra laseren 100 være justert slik at returpulsene fra sensorene ikke overlapper hverandre. Videre må pulsene fra laseren 100 være slik tidsinnstilt at returpulsene fra sensorene ikke overlapper pulser fra den neste samplingen til rekken. Dersom f.eks. pulslengden fra laser 100 var for lang, ville lengden til pulsen sendt fra sensor 110a til returbuss 114 kunne være slik at halen til pulsen ikke ble plassert på buss 114 i kopler 112a før fremkanten til pulsen fra sensor 110b har passert gjennom kopleren 112a på returbuss 114. På samme måte vil dersom tidsinnstillin-gen til pulsene fra laseren 100 var for tett, utgangspulsen fra sensor 110a som korresponderer med den andre pulsen fra laseren kunne være plassert på returbussen 114 før utgangspulsen fra sensor 110n som korresponderer med den første pulsen fra laser 100 passerer koplerne 112a på returbussen 114. I begge disse situasjoner vil det være tilsynelatende umulig for en detektor som mottar pulsene fra returbuss 114 å bestemme hvilken sensor disse pulsene var kommet fra.

Strengen av pulser 203 blir sendt langs fiberoptisk returbuss 114 til inngangen til et Mach-Zehnder interferometer 200 som består av et par av retningskoplerne 202 og 204 posisjonert på den fiberoptiske returbussen 114 for å definere en første arm 206 mellom koplerne. Den andre lengden av optisk fiber 208 er festet ved begge sine ender i koplerne 202 og 204 for å definere en andre arm av interferometeret mellom koplerne 202 og 204.: Differansen i optiske banelengder til armene 206 og 208 bør være i hovedsaken lik differansen mellom optiske banelengder til suksessive sensorer.

Med armjengder valgt som beskrevet ovenfor, passerer pulsene gjennom interferometeret 200 på en slik måte at delen av den første pulsen fra streng ;203 som: gjennomløper den lengste armen 210 når kopleren 204 i hovedsak samtidig som delen av den andre pulsen fra streng 203 som gjennomløper den korteste armen 206. På samme måte ankommer delen av denne andre pulsen som gjennomløper armen 210 i kopleren 204 hovedsakelig samtidig som delen av det tredje signalet fra streng 203 som gjennomløper armen 206. Således vil det sees at interferometeret 200 forårsaker blanding i den optiske kopleren 204 av utgangssignalene fra tilliggende sensorer.

Det blandede signalet som ble sendt ut fra kopler 204 blir sendt til detektor 212 posisjonert på den delen av fiberen 208 som strekker seg bak kopleren 204. , Detektoren 212 mottar det blandede signalet som representerer gradienten : .til omgivelsesparameteren som påvirker den tilhørende sensor. Til utgangen av détektorne på hver av utførelsene er det selvfølgelig forbundet egnet måleutstyr (ikke vist) av en type som generelt blir brukt. på området for å overvåke og evaluere slike optiske utgangssignaler... -„■: En frekvensskifter 210 kan etter valg være plassert i en arm av interferometeret 200 for å frembringe et heterodyn utgangssignal som tidligere beskrevet méd henvisning til utførelsen på fig. 1. I den viste utførelse på fig. 3^er frekvensskifteren 210 posisjonert i armen 208 til interferometeret 200.

En annen foretrukket utførelse av det fordelte sensorsystemet er vist på fig. 4. I denne utførelse er en kontinuerlig bølge optisk laser 100 optisk forbundet med en fiberoptisk inngangsbuss 102 hvorpå er festet en retningskopler 104. I avstand langs inngangsbussen 102 er det også festet eller koplet optisk en flerhet av optiske kopiere 108 som forbinder optisk bussen 102 med en flerhet av sensorer 110 som selv er optisk koplet via en flerhet av optiske kopiere 112 til en fiberoptisk returbuss 114. Denne utforming korresponderer med stigenettverket til sensorarmen i utførelsen vist på fig. 1. Liksom i systemet på fig. 1 bør forskjellen mellom de optiske banelengder til tilliggende sensorer være større enn kildekoherenslengden til laseren 100.

En ende av en fiberoptisk forsinkelseslinje 250 er festet i kopleren 104 slik at den er i optisk koplingsforhold med inngangsbussen 102. Fra retningskopler 104 er den fiberoptiske forsinkelseslinjen 250 forbundet med en variabel forsinkelseslinje 254. Den variable forsinkelseslinjen som er vist kan bestå av massiv optikk. F.eks. kan et roterbart speilarrange-ment bli brukt for å endre den optiske banen og således variere signal-forsinkelsen. For små lengdevariasjoner kan en del av fiberen 250 være festet om et stykke av PZT som bringes til å utvide seg eller trekke seg sammen etter behov for å strekke eller redusere den optiske banelengden til fiberen 250.

Fortrinnsvis kan en helfiberoptisk forsinkelseslinje bli brukt i den foreliggende oppfinnelse. En foretrukket utførelse av en fiberoptisk variabel forsinkelseslinje som kan brukes med den foreliggende oppfinnelse er vist i den parallelle patentsøknad PCT/US 82/01609, inngitt 12. november 1982 og med tittel "Continously Variable Fiber Optic Delay Line". Denne søknad ble publisert 24. mai 1984 som internasjonal publikasjon nr. WO 84/02006. Denne søknad tilhører eieren av den foreliggende søknad. Den variabel fiberoptiske forsinkelseslinje er også beskrevet i J.E. Bowers m.fl., "Fiber-Optic Variable Delay Lines", Electronics Letters, vol. 18, nr. 23, side 999-1000, (11. november 1982). Publikasjonene ovenfor er herved innlemmet som referanse. En foretrukket utførelse av den fiberoptiske forsinkelseslinjen som det er referert til i disse referanser er beskrevet mer detaljert i det etterfølgende.

Variabel forsinkelseslinje 254 er optisk forbundet med en ende av en annen optisk. fiber 251 som er festet med sin andre ende i kopleren 252 og " derved er de i : optisk koplingsforhold med returbussen 114. En detektor 256 er optisk forbundet med enden av returbussen 114 eller til fiberen 251 slik at den mottar interferenssignalet frembrakt ved koplingen av signalet fra buss 114 og signalet fra ledning 251 i kopleren 252. Annet utstyr for å behandle og evaluere optiske signaler kan være forbundet med detektor 256....

I drift blir et optisk signal i form av en kontinuerlig bølge sendt fra lase 100 gjennom inngangsbuss 102 til kopler 104. En del av det optiske signalet fortsetter å forplante seg på inngangsbuss 102 og blir sendt via kopiere 108 gjennom sensorer 110 og kopiere 112 til den fiberoptiske returbussen 114 på måten som tidligere er beskrevet med henvisning til fig. 1.

Fra kopler 104 forplanter en del av det optiske signalet fra laser 100 seg gjennom forsinkelseslinje 250, gjennom den variable forsinkelseslinje 254 og gjennom den optiske fiber 251 til kopler 252, hvor det interfererer med signalet på returbussen 114 for å frembringe et signal som inneholder fasedifferansen mellom signalene på buss 114 og fiber 251.

Den variable forsinkelseslinjen 254 blir drevet slik at den på effektiv måte : endrer den optiske banelengden til fiberforsinkelseslinje 250 og derved bringer den optiske banelengden til forsinkelseslinje 250 til en tilpasning ved et eller annet punkt med hver av de forskjellige optiske baner definert gjennom sensorene 110. På dette punkt interfererer det optiske signalet fra en bestemt sensor 110 med signalet på ledning 251 og.Tfrembringer fasedifferansesignalet som beskrevet ovenfor, hvilket tilveiebringer informasjon som definerer omgivelsestilstandene som påvirker denne sensor. Frekvensen hvorved hver sensor blir overvåket på denne :måten er : avhengig av hastigheten som den variable forsinkelseslinjen 254 blir drevet med. Et slikt oppsett er mindre egnet når de relative • forsinkelser mellom signalene til de forskjellige sensorene ér store siden de variable forsinkelseslinjene 254 vil kreve et stort arbeids-område for å kunne tilpasse seg de optiske banelengder til alle banene definert av de forskjellige sensorene.

Etter ønske kan en frekvensskifter 258 være innbefattet i fiberforsinkelseslinjen 250 i utførelsen på fig. 4 og derved tilveiebringe et heterodynsignal slik tidligere forklart med henvisning til fig. 1.

Selv om utførelsen på fig. 4 ikke er tilgjengelig for bruk med sensor-systemer som involverer store relative forsinkelser mellom sensorene, er den idé ell for et forovermatende system slik som det som er illustrert på fig. 5. Med henvisning spesielt til fig. 5 består denne utførelsen av systemet en laser 100 som tilveiebringer et optisk signal som blir sendt til en strålesplitter 300 som er optisk forbundet for å kunne sende i det minste en del av det optiske signalet til en polarisator 302. I en foretrukket utførelse består polarisatoren 302 av en massiv optisk polarisator så som et stykke av arkpolarisator, som er plassert i lednin-gen med det optiske signalet for å polarisere signalet i den ønskede retningen. Fra polarisatoren 302 passerer signalet gjennom en linse 304 som retter det optiske signalet inn i enden av en dobbeltbrytende optisk fiber 306.

Den dobbeltbrytende fiber 306 innehar to polarisasjonsakser som fungerer til å føre det polariserte lyset på stort sett samme måte som inngangs- og returbussene 102 og 114 i parallellsystemene beskrevet ovenfor. Optiske avtapninger 308a til 308n er posisjonert i den dobbeltbrytende fiberen ved utvalgte steder for å kunne kople de polariserte optiske signalene mellom de to polarisasjonsaksene til fiberen. Som med utførelsene av det parallelle systemet som ikke anvender en pulset laserlyskilde, bør differansen i de optiske veilengder mellom laseren og hver av hvilke som helst to tilliggende avtapninger være større enn kildekoherenslengden til laseren. En foretrukket type avtapning som kan anvendes i utførelsen på fig. 5 er beskrevet detaljert i R.C. Youngquist, J. Brooks og H. Shaw, "Birefringent-Fiber Polarization Coupler," Optics Letters, vol. 8, side 656, desember 1983. Denne referanse er herved innlemmet i beskrivelsen.

Utgangssignalet fra den dobbeltbrytende fiberen 306 blir sendt gjennom en linse 310 som kopler det til en krysset polarisator 312 som består av en polarisator som kan være identisk med polarisatoren 302 unntatt for at den er orientert i rette vinkler med hensyn til polarisatoren 302, og derved forhindrer passasje av lys med polarisasjonen som ikke ble stoppet av polarisatoren 302. Således består lyset som sendes gjennom den kryssede polarisatoren 312 av en gruppe av ikke-interfererende optiske signaler som hver identifiserer omgivelsestilstandene som har påvirket bestemte deler av den dobbeltbrytende fiberen 306 gjennom hvilken de har forplantet seg.

Utgangssignalet fra den kryssede polarisatoren 312 blir sendt til en annen strålesplitter 314 som kan være identisk med strålesplitteren 300. En del av signalet som går gjennom strålesplitteren 314 blir sendt videre til en detektor 320 som selv er forbundet til overvåknings- og evalue-ringsinnreMnger (ikke vist) for å detektere fasedifferanser og for å relatere disse fasedifferanser til omgivelsestilstander som har påvirket den dobbeltbrytende fiberen for å frembringe disse differanser.

Det henvises igjen til strålesplitter 300 hvor delen av lyset som ble sendt fra laser 100 som ikke gikk gjennom strålesplitteren 300 blir sendt gjennom en annen linse 315 som retter signalet inn i enden av en optisk fiber 316. Fiber 316 er forbundet til en variabel forsinkelseslinje 318 som kan være av den fiberoptiske typen som er referert til tidligere, eller den kan bestå av massiv optikk ved å flytte en speilutforming på en måte som er velkjent på området. Fra den variable forsinkelseslinje 318 blir det optiske signalet fortrinnsvis sendt gjennom en linse 313 til strålesplitteren 314, hvor det ble blandet med signalet som blir sendt fra polarisatoren 312 og det resulterende fasedifferansesignalet blir mottatt av detektoren 320.

Lyssignalet som blir sendt fra strålesplitteren 300 langs og gjennom den optiske fiberen 316 består av et referansesignal som blir sammenlignet med signalet som forplanter seg i en korresponderende optisk banelengde gjennom fiberen 308. På denne måte identifiserer systemet skiftninger i fase mellom de to signaler forårsaket av omgivelsespåvirkning på den dobbeltbrytende fiberen. De forskjellige optiske banelengder gjennom fiberen ..- 308 er tilveiebrakt i referansesignalarmen til innretningen ved anvendelse av den, variable forsinkelseslinjen 318. Således avsøker referansesignalarmen de forskjellige fiberlengder av interesse og frem bringer optiske signaler som vil interferere i strålesplitter 314 med optiske signaler til en korresponderende optisk banelengde i fiberen 308.

Siden de to polarisasjonsaksene til den dobbeltbrytende fiberen 306 har like gruppehastigheter, behøver ikke den variable forsinkelseslinjen å avsøke over et stort område selv om det nå eksisterer lasere med en koherenslengde som er kort nok til at avtapningen kan være plassert i rimelig nærhet av hverandre (omtrent i en avstand på 1 m) uten at de påvirker hverandre merkbart.

I systemet på fig. 5 kan omgivelsesparametre bli detektert som påvirker de to fiberpolarisasjonene forskjellig. Etter ønske kan en frekvensskifter 322 være "tilveiebrakt mellom utgangen til den variable forsinkelseslinjen 318 og strålesplitteren 314 for å tilveiebringe et heterodynsignal, som beskrevet tidligere med henvisning til fig. 1.

På fig. 6 er en annen utførelse av det fordelte sensorsystemet vist. Systemet på fig. 6 er utformet for å måle den tidsderiverte til omgivelsesparameteren som påvirker sensorene. Dette system anvender en pulset laser 100 som kan bestå enten av en kontinuerlig bølgelaser som blir elektronisk eller mekanisk pulset eller en selvpulsende laser. Laseren 100 frembringer et optisk signal som består av en puls som blir sendt til en strålesplitter 350 slik at i det minste en del av det optiske signalet sendes gjennom strålesplitteren 350 gjennom en linse 252 inn i en optisk fiberinngangsbuss 102. Pulsede signaler fra inngangsbuss 102 blir så sendt gjennom kopiere 108 til sensorer 110 og så gjennom kopiere 112 til en optisk returbuss 354 som innbefatter en forsinket del generelt angitt ved 356 som befinner seg mellom den første sensoren 110a og returbanen til strålesplitteren 350. Signalet passerer gjennom den forsinkede delen 356 og gjennom en linse 358 til strålesplitteren 350. En retningskopler kan anvendes i stedet for strålesplitter 350 hvilket fjerner behovet for linser 352, 358 og 360.

I tidspunktet når signalet fra laser 100 utsettes for strålesplitter 350 blir en del av dette signalet sendt nedover gjennom linsen 358 og inn i fiberforsinkelsesdelen 356 til returlinje 354. Ved passasje gjennom den forsinkede delen 358 blir signalet sendt gjennom kopiere 112 til sensorer 110<p>g så gjennom kopiere 108 til den fiberoptiske inngangsbussen 102. Signalet blir så sendt gjennom linsen 352 til strålesplitteren 350. Det er å merke seg at pulsen som forplanter seg fra inngangsbussen 102 gjennom en gitt sensor 110 og så gjennom en fiber forsinkelseslinje 356 tilbake til strålesplitteren 350 forplanter seg den samme optiske banen som pulsen som først forplanter seg gjennom forsinkelseslinjedelen 356 og så gjennom den samme sensoren 110 tilbake gjennom inngangslinjen 102 til strålesplitteren .350. Således vil de to pulsene ankomme i strålesplitteren 350 hovedsakelig samtidig og interferere med hverandre og tilveiebringe et signal på utgangen fra strålesplitteren 350 som innbefatter fasedifferansen til de interfererende signalene. Siden disse interfererende signalene entret rekken samtidig, men passerte gjennom den samme sensoren ved forskjellig" tidspunkter, vil pulsen som er entret rekken først sample omgivelsene tidligere enn pulsen som ble forsinket. Som et resultat er fasedifferansesignalet frembrakt i strålesplitteren 350 av de to interfererende signalene representativt for endringer i omgivelsene detektert av sensoren over tid.

Fasedifferansesignalet fra strålesplitter 350 blir sendt gjennom en eventuell linse 360 til en detektor 370. Detektor 370 kan være forbundet til annet konvensjonelt og evalueringsutstyr for anvendelse ved bestemmelse av omgivelsestilstander ved de forskjellige sensorene.

Etter valg kan en fasemodulator 364 være innbefattet på returlinen 354 mellom linse 358 og forsinkelseslinje 356. Denne fasemodulator kan bli brukt for å forbedre følsomheten til systemet på en måte som er velkjent i forbindelse med det fiberoptiske Sagnac gyroskopet. Slike teknikker er forklart f.eks. i. R. Ulrich, "Fiber Optic Rotation Sensor With Low Drift", Optics Letters, vol. 5, sidene 173-175, (1980), som herved er innlemmet som referanse. Alternativt kan fasemodulatoren bli brukt for å generere et frekvensskiftet signal i henhold til fremgangsmåten forklart her med referanse til fig. 11.

Det er å merke seg at i systemet på fig. 6, liksom arrangementet på fig. 3, er det optiske signalet et pulset signal. Derfor er posisjoneringen av koplerne 108 og sensorene 110 ikke avhengig av kildekoherenslengden til laseren. Liksom .ved den ..pulsede .utformingen på fig. 3 bør imidlertid pulsene fra laseren 110 være tidsinnstilt slik at pulsene som returnerer til strålesplitteren 350 fra sensorene ikke overlapper hverandre eller interfererer med pulser frembrakt av den neste pulsen fra laseren 100.

Geometrien til sensorsystemet på fig. 6 har den fordelen at lysbanene til de to signalene som sendes fra strålesplitteren 350 er identiske og det oppnås således god interferens mellom de to pulsene på enkel måte. En ulempe med denne måten er at den er frekvensavhengig ved at endringer i omgivelsene som er sakte sammenlignet med den relative pulsforsinkelse er vanskelig å detektere. Lange lengder av fiber ville være nødvendig for å detektere sakte endrende signaler så som audiosignaler.

Hver av utførelsene beskrevet ovenfor definerer fordelte rekker av fiberoptiske sensorer som kan overvåkes ved anvendelse av en signalkilde med kort koherenslengde samtidig som det fremdeles er mulig å heterodynbehandle utgangssignalet fra sensoren. Videre tilveiebringer utførels-ene som anvender en kilde med kontinuerlig bølgesignal en ny teknikk for demultipleksing av sensorene. Denne teknikk består i separasjonen av sensorene en avstand som er vesentlig større enn koherenslengden til den optiske kilden og så vel overveid å plassere interferometriske blandere (kopiere) i det sentrale behandlingssteder slik at sensorene kan overvåkes kontinuerlig med sine utganger adskilt slik at utgangssignalet fra en bestemt sensor umiddelbart kan defineres.

En annen utforming av det fordelte sensorsystemet i henhold til foreliggende oppfinnelse er referert til som en "serieutforming" eller "seriesystem" som innehar trådufølsomhet, men som er utsatt for mer støy enn parallellsystemet. Den oppfinneriske enhet til dette seriesystem overlapper, men er ikke identisk med den oppfinneriske enhet til parallellsystemet.

En foretrukket utførelse av seriesystemet kan beskrives med referanse til fig. 7 som illustrer et enkelt to-sensorsystem for forklaringsformål. Det vil imidlertid forståes at i hovedsak ethvert antall sensorer kan anvendes i rekken ved ganske enkelt å utvide utformingen vist på fig. 7. Utførelsen på fig. 7 består av en laserdiode 100, som fortrinnsvis frembringer et optisk signal med kontinuerlig bølge og kort koherenslengde. Laserdioden 100 er optisk forbundet med en optisk fiber 402 som i den foretrukne utførelse er en enkeltmodusfiber.

En flerhet av Mach-Zehnder interferometeret definerer sensorer, generelt angitt som 404, 406, som er posisjonert på fiberen 402. Hver sensor 404, 406 består av en inngangsoptisk kopler 407a, 407b og en utgangsoptisk kopler 408a, 408b som er posisjonert i koplingsarrangement på den optiske fiberen 402. Delen av fiberen 402 som befinner seg mellom koplerne 407, 408 i hver av sensorene 404 og 406 definerer respektive armer 409 og 411 til disse sensorer. Hver av sensorene 404 og 406 har et optisk fibersegment som utgjør en interferometrisk arm 410 og 412 respektivt som er forbundet ved hver av sine ender til en av koplerne 407 og 408 for å være optisk koplet til fiberen 402 i disse koplingssteder.

Differansen i lengde mellom armene 409 og 410 eller 411 og 412 definerer optiske banedifferanser som har lengder lj eller I2, respektivt, som er forskjellig for hver sensor. De optiske banelengdedifferanser (lj og 13) er mye større enn kildekoherenslengden (Lc) til laserdioden 100, slik at en endring i den relative fase mellom armene (409 og 410 eller 411 og 412) til en gitt sensor (404 eller 406) ikke vil bli omformet til detektert intensitetsmodulasjon på sensorutgangen. For en flerhet av sensorer er de relative banelengdedifferansene lj og I2valgt i samsvar med en prose-dyre som var forklart detaljert i det etterfølgende som et utformings-kriterium.

Fra kopler 408b trekker fiberen 402 seg til en annen optisk kopler 414 som er festet på fiber 402 så vel som til enden av en optisk fiber 416 for å bringe fiberen 416 i koplingsforhold med fiberen 402. Fra kopler 414 er fiberen 402 videre forbundet med et Mach-Zehnder interferometer som omfatter en mottager 418 som i seg selv består av et par av optiske kopiere 422a og 424a som er posisjonert i koplingsutforming på fiberen 402 for å definere en første mottagerarm 426 som omfatter delen av fiberen 402 som strekker seg mellom koplerne 422a og 424a. En andre mottagerarm 428 omfatter et segment av optisk fiber som er forbundet nær hver av sine ender til optiske kopiere 422a og 424a for å være optisk koplet ved hvert av disse steder til den optiske fiberen 402.

Et annet Mach-Zehnder interferometer omfatter en mottager 420 som i seg selv omfatter et par av optiske kopiere 422b og 424b som er posisjonert på optisk fiber 416 i en koplingsutforming som definerer en første mottagerarm 430 som omfatter den delen av fiberen 416 som strekker seg mellom koplerne 422b og 424b. En andre mottagerarm 432 omfatter et segment av optisk fiber som er forbundet nær hver av sine ender til kopiere 422b og 424b for å være optisk koplet til fiber 416 ved hvert av disse steder.

Den optiske banedifferansen Lj til armene 426 og 428 i mottager 418 bør være, tilpasset så nært som mulig den optiske banedifferansen li til armene 409 og 410 til sensor 404 slik at et optisk signal fra laser 100 som passerer gjennom armene 409 og 410 kan bli skilt fra andre signaler i systemet av armer 426 og 428 til mottager 418. Dess nærmere tilpasnin-gen mellom de optiske banedifferanser Li og lj er, dess bedre blir interferensen i kopleren 424a, hvilket indikerer fasedifferansen mellom lyset i armene 426 og 428. Ettersom differansen mellom Li og lj øker, svekkes interferensen i kopler 424a i et omtrent eksponensielt forhold med differansen mellom disse to optiske banedifferanser. Dette gjelder selvfølgelig også differansen mellom den optiske banedifferansen L2til armene 430 og 432 sammenlignet med den optiske banedifferansen L2til armene 411 og 412 til sensor 406. Igjen bør L2være tilpasset så nær som mulig til I2.

Mer spesielt på systemet i fig. 7, vil dersom kildekoherenslengden er mye kortere enn noen av sensorenes optiske banedifferanser og dersom differansen mellom de optiske banedifferansene til sensorene, så som lj og I2er riktig innstilt, så vil selv om der er mange optiske baner tilgjengelige gjennom sensorsystemet, bare være visse baner gjennom systemet som frembringer signaler som interfererer en gitt utgangskopler 424 av mottagerne.

F.eks. vil et første lyssignal som gjennomløper den optiske banen definert av optisk fiber 402, arm 410 til sensor 404, arm 411 til sensor 406 og arm 426 til mottager 418 føre informasjon som representerer omgivelsestilstander som påvirker sensoren 404. Dersom den optiske banedifferansen til arm 410 i forhold til arm 409 er tett tilpasset til samme for arm 428 i forhold til arm 426, så vil det optise referansesignalet som tilveiebringer interferens i kopler 424 gjennomløpe den optiske banen definert av fiber 402, arm 409 til sensor 404, arm 411 til sensor 406 og arm 428 til sensor 418. De to optiske banene definert ovenfor er selv om de gjennomløper forskjellige systemelementer i hovedsak identiske i lengde. På den annen side er alle andre optiske baner gjennom systemet av forskjelligere lengde enn denne og frembringer ingen interferens med lys som gjennomløper disse to baner. De eneste andre baner som interfererer med hverandre er de som frembringes ved å erstatte arm 411 med arm 412 i forklaringen ovenfor. Dette par av interfererende baner fører den samme omgivelsesinformasjon som de andre parene av baner slik at interferenssignalet frembrakt av det siste paret av baner forsterker signalet frembrakt av det første paret av baner. Siden systemet er utformet i samsvar med utformingskriteriene forklart senere, vil ingen andre par av baner interferere.

Signalet frembrakt av de interfererende lysbølgene gjennom kopler 424a beskriver fasedifferansene mellom disse lysbølger og representerer påvirkningen av omgivelsestilstander på armen 410 til sensoren 404. Denne informasjon blir sendt fra kopler 424a til en detektor 434 som gjør den tilgjengelig for konvensjonelt overvåknings- og evalueringsutstyr (ikke vist) som kan være tilkoplet.

Selv om tilstander som omgir produksjonen av fasedifferanseutgangssig-nalet fra mottager 418 er blitt beskrevet ovenfor, vil det forståes at den samme type forklaring passer på genereringen av et fasedifferanseut-gangssignal 420 som identifiserer omgivelsestilstander som påvirker armen 412 i forhold til armen 411 til sensor 406..

I serieutformingen på fig. 7 er mottagerne 418 og 420 fortrinnsvis skjermet. fra omgivelsestilstander som kan påvirke fasen til lysbølgene som blir sendt derigjennom. Ingen annen skjerming for dette formål er nødvendig i dette seriesystemet siden systemet er omgivelsesufølsomt unntatt i selve sensorene. Denne ufølsomhet skyldes det faktum åt de optiske signaler i systemet blir sendt langs en felles bane untatt i banene /definert av sensorene. Således vil ,. omgivelsespåvirkning . som påvirker lyssignaler i den felles banen ikke frembringe noen endringer i fasedifferansen mellom lyssignalene i disse baner. Den eneste endring i fasedifferanse som blir frembrakt finner sted i selve sensorene siden lyset forplanter seg i forskjellige baner.

Utformingen beskrevet med henvisning til fig. 7 omfatter en representativ utførelse av en serieutforming. Det vil forståes at denne utforming kan utvides etter behov ved å addere flere sensorer på line 402 i serie med sensorene som allerede er der i en lignende utforming og ved å tilveiebringe tilleggskoplere så som kopler 414 enten på line 402 eller liner så ..som 416 hvorved det tilveiebringes innganger for tilleggsmottaker som er utformet på samme^måte som mottakerne 418 og 420.

På grunnlag av beskrivelsen ovenfor blir det klart at serieutformingen slik den er illustrert på fig. 7 definerer et fordelt sensorsystem som er trådufølsomt og derfor bare krever et minimum av omgivelsesavskjerming. Denne serieutforming beskriver også et helfiberoptisk sensorsystem som tillater kontinuerlig overvåkning av hver sensor i systemet.

Det er å merke seg med hensyn til systemet på fig. 7 at hver sensor har en fri ende fra hvilken lys kan unnslippe. Selv om dette innfører tap er det ikke et alvorlig problem siden, selv for et stort antall sensorer effekttapet kan holdes relativt beskjedent ved riktig valg av koplingskonstantene til retningskoplerne. Fremgangsmåten for å velge disse koplingskonstanter er forklart detaljert i det etterfølgende. I prinsippet kunne man unngå tapet av effekt fra de utsatte ender til sensorene på fig. 7 ved å tilveiebringe et system slik som det som er vist på fig. 8 i hvilket fiberne fra begge portene til hver sensor fortsetter for å danne den neste sensoren. Således er utførelsen på fig. 7 modifisert ved å erstatte koplerne 408a og 407b med en enkelt kopler 440 som tilveiebringer forbindelse mellom arm 410 til sensor 404 og arm 412 til sensor 406 ved å utforme disse armene som en del av en kontinuerlig optisk fiber som er benevnt som optisk fiber 442. I tillegg er en optisk kopler 444 posisjonert på den optiske fiberen 442 for optisk å kople en del av lyset fra fiberen 442 inn^i en optisk fiber 446 som omfatter en forlengelse av armen 432 til mottager 420.

Selv om et slikt system ville kunne fjerne tap, vil n/2 faseskiftet som finner sted når lys koples mellom to fibre bli viktig. Lys fra en inngangsport til avfølingsinterferometeret entrer den lengste armen forsinket med n/2 i forhold til lys som entrer den korteste armen. Lys fra den andre inngangsporten entrer den korteste armen med en relativt forsinkelse på n/2 radianer. Denne differanse i relative forsinkelser fører til kansellering mellom signalene tilknyttet lys som entrer hver av de to inngangsportene slik at dersom alle koplerne var innstilt med en koplingskoeffesient som sender 50% av det optiske signalet mellom de koplede fiberne, så ville bare den første sensoren gi et signal i det hele tatt.

Dersom kbplingskoeffesientene ble justert til mer egnede verdier, så ville denne typen system kunne frembringe et noe sterkere signal enn det som ble frembrakt av et diskontinuerlig system, men et slikt signal tilveiebringes på bekostning av at avfølingsinterferometerne måtte innbefatte hele lengden av fiber mellom de ønskede avfølingssteder. Dette betyr også at det må tilføres skjerming til de parallelle fiberne som ikke omfatter interferometeret ellers ville de optiske signalene som ankommer i mottagerne reflektere ikke bare omgivelsestilstander som påvirket sensorene, men også de tilstander som påvirket de parallelle optiske fiberne som strekker seg mellom sensorene og mottagerne. En kunne også etter valg anvende ekstra interferometre uten korresponderende mottagere som ledd mellom de mer lokaliserte sensorene i bestemte punkter av interesse, men tilføyelsen av slike ledd har en tendens til å minske signal-til-støyforholdet som er tilknyttet hver sensor.

Ikke desto mindre tilveiebringer utførelsen på fig. 8 et ønskelig arrangement for. visse anvendelser, spesielt hvor mottagerne 418 og 420 er utformet i parallell som i utførelsen på fig. 7. Med slike parallelle mottagere er kontinuerlig og samtidig overvåkning av hver av sensorene mulig. ; ; • • • •; • -■-- r.-

I tillegg til å - tilveiebringe et tilsynelatende rimelig kompromiss så vel som å minimalisere mengden av omgivelsesskjerming som er nødvendig sammenlignet med utførelsen på fig. 8, har utformingen av systemet vist på fig. 7 også den praktiske fordelen at de frie fiberendene forenkler innretningskravene ved å tilveiebringe adgang til signalet som er tilstede i enhver sensor eller mottager gjennom systemet.

Selv om parallell- og serieutformingene beskrevet ovenfor representerer flere av de foretrukne utførelsene av oppfinnelsen, vil det forståes at det er adskillige mulige utforminger av et koherensmultiplekset sensornettverk som innehar egenskapene med oppfinnelsen som beskrevet her. F.eks. viser fig. 9 et mulig hybrid parallellserie koherensmultiplekset system som innehar trådufølsomhet liksom seriesystemet.

Spesielt .omfatter utførelsen på fig. 9 en laserdiode 100 som er optisk forbundet,, med en fiberoptisk inngangsbuss 102, som har optiske kopiere 108a, 108b", ...108n posisjonert langs lengden av inngangsbussen 102 i en koplingsutforming. I en ende av en av en flerhet av fiberoptiske inngangslinesegmenter 501a, 501b, ...501n som sender signalet koplet fra inngangsbussen 102 til inngangen til en flerhet av Mach-Zehnder interferometeret som omfatter sensorer 500a, 500b, ...500n er festet ved hver av koplerne 108a, 108b, ...108n for å være i optisk koplingsforhold med inngangsbuss 102.

Spesielt innbefatter sensorene 500 hver en optisk inngangskopler 504a, 504b, ...504n og en optisk utgangskopler 506a, 506b, ...506n som hver er posisjonert på den optiske fiberen 501 for å definere en første sensorarm 502a, 502b, ...502n som strekker seg mellom kopiere 504 og 506. En annen optisk fiber er forbundet nær hver av sine ender til optiske kopiere 504 og 506 for å være optisk koplet til armen 502 og definerer en andre sensorarm 508a, 508b, ...508n. Sensorene 500 er hver forbundet til et optisk fibersegment 503a, 503b, ...503n som er en utvidelse av hver arm 502. De optiske fibersegmentene 503 er hver festet av en korresponderende kopler 112a, 112b, ...112n som også er festet til en fiberoptisk returbuss 114 for optisk å kunne kople denne returbuss 114 til de optiske fibersegmentene 503.

Den optiske banelengdedifferansen mellom arm 502 og arm 508 må være større enn kildekoherenslengden til laserdioden 100 for enhver sensor. Den optiske banelengdedifferansen mellom armene 502 og 508 i hver av sensorene må være i det minste en kildekoherenslengde forskjellig fra den optiske banelengdedifferansen til enhver annen sensor. Videre sensorene 500 posisjonert i valgte steder langs fiberne 102 og 114 slik at lengden av banen fra kopler 108a til kopler 108b gjennom arm 502b til kopler 500b til kopler 112b og tilbake til kopler 112a er lenger enn banen fra kopler 108a gjennom arm 508a til sensor 500a til kopler 112a med en mengde som er større enn en koherenslengde til laseren 100, og er forskjellig fra banelengdedifferansene 508 og 502 til alle sensorene 500 med i det minste en koherenslengde til laseren 100. Lignende krav gjelder avstanden mellom andre sensorer. Dette arrangement er nødvendig for å unngå interferens mellom signaler fra forskjellige sensorer på buss 114.

Returbuss 114 er forbundet via en flerhet av optiske kopiere 509a, 509b, ... 509n til en flerhet av mottagere 510a, 510, ... 510n på en måte som er identisk med forbindelsen av line 402 til mottagere 418 og 420 på fig. 7. Mottagerne på fig. 9 innbefatter inngangsoptiske kopiere 512a, 512b, ... 512nog utgangsoptiske kopiere 514a, 514b, ... 514n, sensorarmer 516a, 516b, ... 516n og sensorarmer 518a, 518b, ... 518n.

Som ved utformingen på fig. 7 er mottagerne på fig. 9 hver tildannet slik at sensorarmer 516a og 518a har en optisk banelengdedifferanse Lj som er i hovedsak tilpasset den optiske banelengdedifferansen li til armer 502a og 508a som beskrevet med henvisning til banelengdedifferansene Lj og li til utførelsen på fig. 7. Videre er den optiske banelengdedifferansen L2 til armer 516b og 518b relatert til den optiske banelengdedifferansen Li til armer 516a og 518a på en måte som er identisk med forholdet mellom de optiske banelengdedifferansene L2og Lj til mottagere 420 og 418 på fig. 7.

I' drift tilveiebringer laserdioden 100 på fig. 9 et optisk signal på den optiske fiberinngangsbussen 102 som ble sendt via kopiere 108 til sensorer 500. Sensorene 500 tilveiebringer hver et optisk signal som er representativt for omgivelsespåvirkningen på armer 508 i forhold til armer 502. Dette optiske signalet blir sendt via kopiere 112 til returbussen 114 fra hvilken signalene blir koplet til. respektive mottagere 510. Som det ble beskrevet med henvisning til utførelsen, på fig. 7, tilveiebringer hver mottager et utgangssignal som korresponderer med fasedifferan sen mellom et referansesignal og det optiske signalet som er påvirket av omgivelsestilstandene mens det passerte gjennom armene 502 og 508 til en valgt sensor 500. Denne utgangsinformasjonen blir sendt til en tilhørende detektor 520a, 520b, ... 520n som igjen kan være forbundet med konvensjonelt overvåknings- og evalueringsutstyr for behandling og analysering av den avfølte omgivelsesinformasjonen.

På grunn av interferometerkonfigurasjonen anvendt for sensorer 500 på fig. 9, vil ikke omgivelsespåvirkning på deler av systemet utenfor sensorene 500 påvirke utgangssignalet.

Utformingsbetraktninger

1. Støypåvirkning

Ytelsen til koherensmultipleksede systemer vil generelt være begrenset av flere typer støy. I tillegg til pulsstøyen og elektronisk forsterkningsstøy som er tilstede i ethvert optisk avfølingssystem, kan systemene vist her være utsatt for støy som er resultatet av interferens mellom lyskom-ponenter tilknyttet baner som ikke er ment å interferere. Det er to måter dette kan finne sted på. For det første, dersom differansen i optisk forsinkelse mellom de to banene ikke er tilstrekkelig stor, så vil lyset fra det to banene ikke være fullstendig inkoherent og det vil finne sted "krysstale" i den detekterte effekten. Med andre ord vil den detekterte effekten avhenge svakt av de relative faseforsinkelser til nominelt ikke-interfererende baner.

For det andre, selv om lyset tilknyttet de to banene er tilsynelatende inkoherent, kan momentane interferenseffekter være tilstede. Selv om slike interferenseffekter jevner seg ut på gjennomsnittsbasis, vil detekte-ringssystemer med en ikke-null båndbredde ikke fullstendig utjevne de resulterende intensitetsfluktasjoner. Den nøyaktige natur av denne "inkoherensstøy" vil avhenge av naturen til lyskilden. F.eks. vil i et system som anvender en enkeltmoduslaserdiode som en kilde, inkoherens-støyen være tilknyttet fasestøyen som er tilstede i laserutgangen. For mere generelle kilder kan det også bidras med modusskillestøy eller kildeintensitetsstøy.

Noe av. krysstalen og inkoherensstøyen kan elimineres fra systemene ved å :: anvende polarisasjonsstyreinnretninger for å forhindre baner i å interferere; men denne taktikk vil imidlertid bare være delvis effektiv i systemer med flere enn to baner som ikke er tenkt å interferere med hverandre. En bestemt type polarisasjonsstyreinnretning som kan anvendes i systemene i henhold til den foreliggende oppfinnelse for å styre krysstalen er beskrevet i det etterfølgende.

2. Bestemmelse av sensoroptiske banelengder.

En viktig overveielse for et koherensmultiplekset sensornettverk er behovet for å sikre at bare banene som en ønsker skal interferere er tett nok tilpasset i lengde. Dette er relativt enkelt å få til i parallell-utførelsen hvor hver suksessiv sensorbanelengde bør være lenger enn den forutgående banelengden med en mengde Lq, hvor Lq>>Lcog valgt slik at den er stor nok til å redusere krysstale for å tilfredsstille systemkravene.

Situasjonen er noe mer komplisert i serieutformingen. Da f.eks. miLrj, n^Lø, m3Lø,...., hvor m^er et helt tall, være differensialbaneforsinkels-ene til de avfølende . Mach-Zehnder - interferometerne. Forsinkelsene behøver ikke å være nummerert i en bestemt orden. Da må m^+j tilfredsstille m^+j ulik C^og 2m]c+i ulik A^, hvor

En måte å få til sekvenser av tillatelige forsinkelser er å starte med en bestemt mi og så velge hvert etterfølgende serieelement slik at det er det nestminste tallet .som tilfredsstiller begrensningene ovenfor. For mi=l Vil/.den resulterende sekvensen 1, 3, 8, 21, 55, tilfredsstille rekke-utviklingen m^+j= 1 + mk<+>£j=l mj. Ved å anvende z transformasjoner kan en vise at denne ligning har den eksplisitte løsning

Denne rekke fortsetter uendelig slik at for et system med ethvert antall sensorer N, kan man alltid velge et undersett av sekvensen for å spesifisere forsinkelsene. Generelt kan man også anvende et sett av forsinkelser hvis utforming avhenger av N. Spesielt kan man velge m^i henhold til i eller alternativt, hvor: Ner > 1; og

Ved f.eks. 4N = 5 vil det minste sett av disse former være gitt ved }27, 28, 30, 34, 42< og }22, 30, 34, 36, 37{, respektivt. Merk at den siste av disse tre klasser av forsinkelser gitt ovenfor innehar den sakteste veksten av den minimale forsinkelse med økende N. Det er ikke kjent hvorvidt eller ei mer kompakte sett av forsinkelser er mulige.

Basert på det ovenfor indikerte forhold vil de bestemte differensialbane-lengdene som blir valgt være basert på forventede anvendelser av systemet.

Som det ble forklart tidligere, vil i det minste for langavstandsanvendel-ser serieutformingen være av spesiell interesse siden denne er trådufølsom og derfor kan sensorene være adskilt i fjerne steder uten at det er behov for omgivelsesskjerming av trådene eller av andre deler av avfølingssyste-met.

3. Valg av koplingskoeffesienter.

En annen oppgave som er relevant ved utformingen av et koherensmultiplekset fordelt sensorsystem er det riktige valg av koplingskoeffesienter for de forskjellige retningskoplere som anvendes i systemet. Som brukt her er uttrykket "koplingskoeffesient" definert som effektforholdet til den koplede effekten og den totale utsendte effekten. F.eks. vil med henvisning til fig. 2 dersom lys ble påtrykt port A, koplingskoeffesienten være lik ..forholdet mellom effekten på port D og summen av den utsendte effekten på portene B og D.

Bestemmelsen av koplingskoeffesienten kan baseres delvis på det intuitive krav at alle sensorene som blir utsatt for like omgivelsesmodulasjons-amplituder bør returnere signaler med sammenlignbar styrke til det sentrale behandlingsstedet. For serieutformingen betyr dette at alle de avfølende Mach-Zehnder interferometerne bør være oppbygget av identiske kopiere forutsatt at alle interferometerne har sammenlignbare omgivel-sesfølsomheter. Ordenen som sensorene opptrer i kjeden i har ingen virkning på naturen til feltet som når mottagerne og således vil sensorer som er bygd opp av identiske kopiere gi signaler med lik styrke. Det er å merke seg at koplerne ved de to endene av hvert avfølingsinterfero-meter også bør være identiske. : Løsningen er mindre triviell i'tilfellet med det parallelle systemet. Anta at det er N sensorer i et parallellsystem slik som. det som er vist på fig. 1. Nummerer sensorene med indeks j som løper fra 1 til N og starter med j = 1 for sensoren nærmest lyskilden 100 og til mottagerne 120. La effektkoplingskoeffesienten for koplerne 108 til 112 tilknyttet sensor j være :kj slik at en fraksjonsdel kj av den totale effekten blir overført mellom de to fiberne i kopleren og en mengdeeffekt 1 -kj passerer rett gjennom kopleren uten å bli koplet. Det er å merke seg at koplerne ved endene av'én gitt optisk f ibersensor bør være identiske. • • " Det antas for enkelhetens skyld at lys må kople på tvers av fiberne i koplerne 108 for å kunne komme fra inngangsbussen 102 til en avfølings-fiber 110 og tilbake til returbussen 114, selv om situasjonen like gjerne kunne være reversert. Lys som returnerer fra sensor j vil ha vært utsatt for tap i kopiere 1 til j på både inngangsbussen 102 og returbussen 114. Kopiere 1 til j-1 vil ha en transmisjon 1-kq for både inngangs- og returkoplerne 108 og 112, respektivt, og de to koplerne ved sensor j vil ha en transmisjon kj. Således vil effekten som returnerer fra sensoren j til mottagerne 120 være gitt ved hvor Pjj^er effekten som blir sendt til sensorrekken. Ved å sette<P>j+1,retur<=><P>j,retur blir det funnet at koplingskoeffesienten er relatert ved kj+i = kj/(l-kj) eller ekvivalent, Den siste sensoren krever i virkeligheten ingen kopiere siden det ikke er behov for effekt for de siste sensorene, og således kan man sette kn=l. Sammen med utledningen som nettopp er gitt medfører dette at koplingskoeffesienten for koplerne til sensor j er nettopp

Dette betyr i sin tur at den totale transmisjonen Pj^etur</>^inn er den samme for hver sensor som forventet, og er lik l/N^.

En av disse faktorer av l/N opptrer siden inngangseffekten må deles opp blant N sensorer. Den andre faktoren til l/N er et resultat av det uunngåelige tapet som opptrer når signaler fra to fibre (den avfølende optiske fiberen 110 og returbussen 114) blir kombinert av en passiv lineær kopler 112 for å danne et enkeltmodussignal (dvs. signalet på returbussen). Merk at koplingskonstantene ikke er bestemt ut fra kravet Om at like sensorsensitiviteter kan velges for å maksimalisere signal-til-støyytelsen til hver sensor.

4. Matematisk teori for systemet.

Etter å" ha spesifisert-;: oppbygningen til et koherensmultiplekset system rettes nå oppmerksomheten mot signalet som blir frembrakt i en slik utforming. Fig. 10 illustrerer en forenklet versjon av et seriesystem lik systemet..vist på fig. 7 unntatt ved at det bare er en sensor 410 og en mottager ,.418. Selv om dette ikke er et virkelig multiplekset system, tjener det" til å illustrere noen egenskaper ved det koherensmutipleksede systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

La det optiske feltet som er tilstede på inngangen til fiberen 402 fra laserdioden 100 være gitt ved V2Pøu(t)e1nt hvor pø er den optiske effekten og u(t)e<int>er det stokastiske analytiske signalet som beskriver feltet, normalisert slik at dets midlere kvadratverdi < | u(t) 1<2>> er enheten. Dersom det forutsettes et tapsløst system, i hvilket alle koplerne 407, 408, 422 og 424 er innstilt til 50% koplingskoeffesient, og alle optiske baner gjennom systemet resulterer i den samme sluttpolarisasjonen av det optiske signalet, så vil den optiske effekten P(t) som faller inn på detektoren 434 være gitt ved

hvor: Tø er den minimale forsinkelse gjennom systemet:

T er differensialforsinkelsen i hver sensor 404 og mottager 418; og 9S og. cpr er differensialfaseforsinkelsene i sensor 404 og mottager 418.

Ved å ta den forventede verdien av dette uttrykket og anvende den normaliserte: selvkoherensfunksjonen . ru(T) = <u(t + f)u(t)>, kan den forventede detekterte: effekten bli skrevet som Det kan vises at selvkoherensfunksjonen ru(f) er Fourier-transforma-sjonen av den enkeltsidede optiske effektens spektrale tetthet riktig normalisert og skiftet til starten. Følgelig vil dersom lyset frembrakt av kilden 100 har en lorensiansk linjeform med en full bredde ved halve maksimum (FWHM) gitt ved (riTc)""l, selvkoherensfunksjonen være ru(ir) = e~I<T>I</>^c. Dette medfører at dersom sensoren og mottageren har en mistilpasning T som er valgt slik at den er mye større enn koherenslengden tc, så blir tu(T) og tu(2T) neglisjerbare små, slik at:

Således er den mottatte effekten gitt ved et middelnivå som er lik en fjerdedel av inngangseffekten sammen med en modulasjonsavhengig på signalfasen (ps - cpr. Modulasjonsdybden er bare 50% siden bare to av de fire banene fra kilden til detektoren interfererer. De andre to banene bare adderer seg til den midlere mottatte effekten. Spesielt vil det optiske signal som gjennomløper banen definert av armer 410 og 426 interferere med signalet som gjennomløper banen som innbefatter armer 409 og 428. Motsatt vil signaler som forplanter seg i banen som innbefatter armer 409 og 426, så vel som banen som innbefatter armer 410 og 428 ikke interferere.

Ved å ta den forventede verdien av <P(t)> for å få frem det detekterte signalet, har inkoherensstøyen P(t) - <P(t)> som vil være tilstede i praksis bli utjevnet. Dersom en antar at lyset på utgangen fra laseren har en tilfeldig fase som kan moduleres som en Wiener-Levy stokastisk prosess, sammen med en neglisjerbar intensitetsstøy, kan man vise at den tosidede effektspektraltettheten til inkoherensstøyen er gitt ved hvor signalfasen cps - cprmå utjevnes siden den nå blir behandlet som en stokastisk mengde. Således er spekteret til inkoherensstøyenkarakterisertved en lorensiansk omhylling med en bredde som er lik to ganger kildelinjebredden og en høyde som avhenger av signalfasen. Innenfor omhyllingen er det en kosinusmodulasjon som har topper ved nullfrekvens og har en periode l/T. For sammenligning vil dersom en skulle innføre en effekt Pq/4 i et enkelt sterkt mistilpasset Mach-Zehnder interferometer, inkoherensstøyeffektens spektrale tetthet være

Denne normalisering er hensiktsmessig siden den også tillater at dette uttrykket kan tolkes slik at det gir inkoherensstøyeffektens spektrale tetthet som er resultatet når polarisasjonen i den enkelte sensorens seriesystem blir justert for å tillate at bare to par av baner kan interferere inkoherent. Sammenligning av de to uttrykk for G]^(t) avdekker at den modulerte signalavhengige delen av spekteret i det doble Mach-Zehnder tilfellet er resultatet av interferens mellom de signal-bærende banene og de andre to banene, mens den umodulerte delen av spekteret er resultatet av interens mellom de to banene som ikke bidrar til signalet.

5. Begrensningen i systemfølsomheten på grunn av inkoherensstøy.

Siden inkoherensstøy er den dominerende type støy i koherensmultiplek-sersystemer med et relativt lite antall sensorer, tillater kjennskap til inkoherensstøyspekteret en til å forutsi fasesensitiviteten til et sensor/- mottagerpar. Før dette imidlertid kan gjøres, må man spesifisere systemet ytterligere. siden generelt vil både den lille signalfasesensitiviteten og støynivået avhenge av fasen til systemet som gjennomgår konstant endring på grunn av lavfrekvensomgivelsestøy.

Denne signalfading er et vesentlig problem for alle Mach-Zehnder type sensorer og koherensmultipleksede sensorer er utsatt for dette liksom andre fasesensorer. En løsning på dette problemet er å heterodynbehandle signalet ved å innføre en frekvensskifter i en arm av mottageren på måten som er beskrevet tidligere med henvisning til utførelsen på fig. 1. I dette tilfellet tar fasen cps - q>rformen

hvor: cpeer en sakte endrende omgivelsesfaseforspenning;

fh er heterodynfrekvensen; og

Acpasin 2nfat er det akustiske signalet detektert av sensoren. DersomA(paer liten, vil heterodynsignalet ha et effektspekter gitt ved

hvor S(.) representerer Dirac delta-funksjonen. Sammenligning av denne med støyeffektspektertettheten G]\j(f) og ved å merke seg at <cos((ps-<pr)> = 0 og fa, ffo « l/T, ser vi at

hvor: (A9a)s/N=ler størrelsen påA(pafor hvilken signal- og støy-nivåene er like; og

B er båndbredden til detekteringselektronikken.

Den pseudo-heterodyne teknikken for å forhindre signalfading.

Mens konvensjonell heterodynbehandling tilveiebringer en fremgangsmåte for å unngå signalfading og for å skille mellom signaler i det ønskede frekvensområdet fra lavere frekvensomgivelseseffekter, har denne måten ulempen at den krever anvendelsen av frekvensskiftere som ofte består av massive optiske innretninger. Slike innretninger kan være klumpete, øke systemtapet, minske effektiviteten og kan være kostbare. Dette er ikke et stort problem for det parallelle systemet slik dette er illustrert på fig. 1, siden bare en enkelt frekvensskifter plassert ved begynnelsen av den avtappede forsinkelseslinjen 106 vil være nødvendig for å heterodynbehandle alle signalene. For å kunne heterodynbehandle alle signalene i seriesystemet på fig. 7, vil det imidlertid være nødvendig med en frekvensskifter i en arm til hver mottager. Dette kunne bli svært kostbart i tillegg til at man vil få problemer med økt systemstørrelse og ineffektivitet.

En enklere og mindre kostbar metode for å unngå signalfading er en pseudo-heterodyn teknikk som ikke krever massive optiske innretninger i den optiske banen til sensorsystemet. Denne teknikk er definert i forbindelse med sin anvendelse i et fiberoptisk gyroskop i B.Y. Kim og H.J. Shaw, "Phase-Reading All-Fiber-Optic Gyroscope", Optical Letters, vol. 9, side 378, (1984). Teknikken er også vist i forbindelse med sin anvendelse i et fiberoptisk gyroskop i den parallelle US-patentsøknad med serienummer 603.630, med tittel "Phase Reading Fiber-Optic Rotation Sensor," inngitt 25. april 1984, og tilhører eieren av den foreliggende patentsøknad. På begge de ovenforangitte publikasjoner er herved innlemmet i beskrivelsen som referanse.

Anvendelsen av teknikken i det foredelte sensorsystemet i den foreliggende oppfinnelse kan bli beskrevet med henvisning til fig. 11. Avfølings-systemet på fig. 11 omfatter et forenklet seriesystem som korresponderer til systemet på fig. 10 som er fremsatt for forklaringsformål. Det vil forståes at tilleggssensorer og mottager kan innbefattes i systemet for å definere utforminger slik som de som er vist på fig. 7, 8 og 9. På grunn av likheten med systemet på fig. 10 er de korresponderende elementer i systemet på fig. 11 nummerert i samsvar med nummereringen på fig. 10 unntatt hvor spesielle elementer er forskjellige.

Særlig innbefatter systemet på fig. 11 en polarisasjonsstyreinnretning 551 i armen 410 til sensor 404. Styreinnretningen 551 fungerer slik at den opprettholder det riktige polarisasjonsforhold til de optiske signaler som passerer gjennom styreinnretningen. En foretrukket utførelse av en polarisasjonsstyreinnretning for anvendelse i den foreliggende oppfinnelse er beskrevet i det etterfølgende.

Armen 410 er forbundet via kopler 407 til en optisk fiber 552 som så igjen er forbundet via kopler 422 til en arm 554 til mottagerinterferome-teret. I armen 428 til mottager 418 er det anordnet en annen polarisasjonsstyreinnretning 557 for å opprettholde polarisasjonen til lys som forplanter seg i denne armen 428. I tillegg er det anordnet en fasemodulator 558 i optisk forbindelse med armen 428 til mottager 418. Fasemodulatorer 558 blir styrt av en forbindelse til en signalgenerator 550 som frembringer et sinussignal med en modulasjonsfrekvens fm. Signal-generatoren 550 er også forbundet til en portkrets 556 for å styre denne porten ved frembringelse av et firkantbølgesignal på en periodisk basis. Port 556.. er forbundet med en AC-forsterker 553 som selv er forbundet til en detektor 434 for å motta og forsterke optiske signaler fra detektor 434 for videre behandling i port 556 som det vil bli forklart nedenfor. Utgangen fra port 556 er elektronisk forbundet med en spektrumanalysator 560 for anvendelse i identifisering av sidebånd rundt en harmonisk til modulasjonsfrekvensen for å kunne overvåke faseskiftet i sensoren 404 ved en bestemt frekvens.

I systemet på fig. 11 forplanter og interfererer de optiske signalene seg på en måte som tidligere er beskrevet med henvisning til fig. 7 og 10 unntatt hvor annet er indikert nedenfor. Spesielt blir lyset i arm 428 fasemodulert av fasemodulatoren 558 som blir drevet med en modulasjonsfrekvens som korresponderer til driftsfrekvensen til generatoren 550. Som et resultat blir intensiteten til utgangssignalet fra kopler 424 som mottas av detektor 434 modulert og det resulterende elektriske utgangssignalet fra detektor 434 inneholder komponenter ved fasemodulasjonsfrekvensen fm og dennes harmoniske som indikert i den følgende ligning:

I(t) = C[1 + cosCA^sin u)mt + L<t>asin tuat + A<J>e)]

i

= C[1 + {J0(A*m) + 2lJ^A^cos2mmt] costø^sina&t+ A*fi)

n=1 (19)

oo

- {2 I J^^CA^sin (2n-l) umt}sin (A<frasin u»at + A<f>e)]

n=l

hvor: C er en konstant;

Jnangir den nte ordens Bessel-funksjon;

r A(Pm er amplituden til fasemodulasjonen mellom lysbølgene i armer 428 og 554 på grunn av fasemodulatoren 558;

com 2nfm;Acpaer amplituden til fasedifferansen mellom lysbølgene i armene 428 og 554 frembrakt av eksterne akustiske signaler;

o>at = 2n<f>a<;>og

Acpeer amplituden til faseforskjellen mellom lysbølgene i armene

.428 og 554 frembrakt av sakte endringer i omgivelsene.

Ligning 15 Indikerer at utgangssignalet fra detektor 434 inneholder uttrykk som innbefatter: cos(Acpasin coat + Acpe) og sin(A<pasin o)at + Acpe). Disse kosinus- og sinuselementer er imidlertid ved forskjellige frekvenser. Dersom disse signaler hadde den samme frekvens og med fasene i kvadratur^ kunne velkjente trigonometriske regler anvendes slik at signalene kunne adderes direkte for å få frem et enkelt lavfrekvens sinusformet signal hvis fase korresponderer med (Acpasin coat + Acpe). Et slikt forhold kan oppnås i systemet på fig. 11 ved anvendelse av amplitudemodulasjon. Amplitudemodulasjon involverer ganske enkelt å få amplituden til det elektriske utgangssignalet fra detektoren 434 til å variere i samsvar med amplituden til et modulasjonssignal.

Når utgangssignalet fra detektoren 434 blir amplitudemodulert av et modulasjonssignal som har en frekvens som er et ulikt multippel av fasemodulasjonsfrekvensen fm (som også er differansefrekvensen mellom tilliggende harmoniske), blir hver komponent av utgangssignalet fra detektoren 434 som er en harmonisk til fm delvis overført til frekvensene til de harmoniske . naboer. Med andre vil. ved amplitudemodulasjon på denne måte sidebåndfrekvenser bli dannet ved harmoniske av fasemodulasjonsfrekvensen. Sidebåndfrekvensene ble kombinert med komponenten til utgangssignalet . i den korresponderende frekvensen og kan umiddelbart identifiseres ved anvendelse av en spektrumanalysator.

Disse og andre egenskaper vedrørende amplitudemodulasjon er generelt kjent for fagkyndige og er beskrevet detaljert i F.G. Stremler, Introduc-tion to Communication Systems, (1979), som herved er innlemmet som referanse." Avsnitt -jned spesiell relevans til dette punktet er vist på sidene 191 -260_i Stremler-boken.

Basert på det ovenforstående vil det forståes at en sinusamplitudemodula-sjon ved en frekvens fm vil overføre energi ut av hver harmonisk frekvenskomponent og inn i de nærmeste harmoniske frekvensnaboer. For å forhindre interferens i det foreliggende sensorsystemet, er det ønskelig at fm er mye større enn fa (frekvensen til akustiske signaler som blir detektert).

I drift blir det optiske signalet i arm 428 til mottager 418 amplitudemodulert med en frekvens som blir styrt av frekvensgeneratoren 550. Som indikert ovenfor er frekvensen til generatoren 550 valgt slik at fm (modulsjonsfrekvensen) er mye større enn den akustiske frekvensen (fa). Signalet fra arm 428 passerer gjennom kopleren 424 hvor det ble blandet med signalet fra arm 554 og frembringer et intensitetsmodulert signal på grunn av fasedifferansen som blir sendt til detektoren 434. Fra detektor 434 blir det intenst modulerte signalet på grunn av fasedifferansen sendt gjennom en forsterker 553 hvor signalet blir forsterket og så sendt til en konvensjonell elektronisk port 556.

Porten 556 fungerer som reaksjon på et signal mottatt på ledning 555 fra frekvensgeneratoren 550 å bringe porten 556 til å frembringe en firkantbølgeamplitudemodulasjon av signalet mottatt fra forsterkeren 553. Når det er modulert med den riktige fase med hensyn til AC-detektor-strømmen og med det riktige valg avAcpm, vil det amplitudemodulerte signalet i denne utførelsen kunne defineres av ligningen

cos{ncomt - (A(pasincoat + Ac<p>e)).

Med hensyn til riktig fase- og amplitudemodulasjon er det å merke seg at på grunn av det trigonometriske forhold mellom bølgeformene i kopler 424 vil amplitudemodulasjon ved like harmoniske av fm ikke frembringe kopling mellom tilliggende harmoniske frekvenser. Snarere vil amplitudemodulasjon ved like harmoniske av fm resultere i at like harmoniske koples med like harmoniske, og ulike harmoniske koples med ulike harmoniske. Denne situasjonen blir generelt forstått av fagkyndige, og grunnlaget for denne tilstand kan mer fullstendig forståes med referanse til Stremler-boken som er nevnt foran. Disse problemer blir unngått dersom amplitudemodulasjonen ved ulike harmoniske blir brukt. Utgangssignalet fra port 556 blir koplet via ledning 568 til en spektrumanalysator 560 for behandling. Det er å merke seg at spektrumanalysato-ren 560 innbefatter et båndpassfilter for å velge og analysere bestemte komponenter av signaler. Dersom et slikt båndpassfilter som er sentrert på 2com ble plassert på utgangen til porten, og dersom amplituden til fasemodulasjonenA(pmble valgt riktig, ville filteret sende gjennom et signal med formen:

hvor k er en konstant som ikke påvirker identifikasjonen og evalueringen av faseskifter som finner sted i sensoren ved bestemte frekvenser.

Ved å sende det demodulerte signalet fra porten 556 inn i spektrumana-lysatoren 560, kan høyden til Bessel-funksjonssidebåndene rundt den andre harmoniske til modulasjonsfrekvensen bli målt ved anvendelse av teknikker som er velkjent på området for å gi faseskiftet i sensoren ved en bestemt frekvens. For et komplisert signal kan alternativt en FM-demodulator bli brukt. I det tilfellet vil det målte signalet være den deriverte til fasen snarere enn den virkelige fasen, eller alternativt kan det anvendes en integrator for å frembringe et målt signal som er representativt for den virkelige fasen.

Etter valg kan portstyringen av systemet på fig. 11 utføres optisk snarere enn elektrisk ved å anvende i det minste en optisk port så som en lukker anordnet mellom kopler 424 og detektoren 434 eller på en annen fiber i systemet som omfatter en optisk bane hvor alle lyssignalene forplanter seg så som fiberen 402 eller den optiske fiberen 552. Dersom porten blir anordnet i "avstand fra detektoren 434, bør porten styres av et for-sinkelsessignal med en frekvens fm slik at lyset som forplanter seg innenfor systemet blir amplitudemodulert med fm-frekvensen i riktig fase med den fjerne porten. I alle andre henseender vil anvendelsen av optisk portstyring tilveiebringe et resultat som i hovedsake er identisk med det som er beskrevet i forbindelse med elektrisk portstyring.

Utførelsen på fig. 11 ble konstruert og utprøvd for å evaluere dens ytelse. I denne utførelse besto laserdioden 100 av en i hovedsak enkeltmoduslaserdiode som sendte ut lys med 790 nm. Alle optiske fibrene i systemet besto av ITT-1601 fiber som er utformet for anvendelse ved 633 nm, men som styrer en enkeltmodus løst ved 790 nm. Forskjellen i armlengder i hvert individuelt interferometer var omtrent 21 meter, mens differensial-lengdene til de to interferometrene 404 og 418 var tilpasset innenfor 8 cm ved å anvende 120 psek. (FWHM) pulser for å måle Delta-funksjons-responsen til hvert interferometer separat.

Koherenslengden til laseren 100 ble bestemt til å være omtrent 4,5 m i fiberen. Retningskoplerne var av samme type som beskrevet tidligere her og det samme var fasemodulatorne. Polarisasjonsstyreinnretningene korresponderte til de som er beskrevet i det etterfølgende. En polarisasjonsstyreinnretning 557 tillot polarisasjonene i de to banene som fører interfererende signaler (banen definert av armer 410 og 554, og banen definert av armer 409 og 428), å være innrettet slik at modulasjonsdybden ble maksimalisert. Den andre polarisasjonsstyreinnretningen 551 tillot både den korteste og den lengste banen (banen gjennom armer 409 og 554, og banene gjennom armer 410 og 428, respektivt) begge å være enten parallelle eller perpendikulære på banene som fører de interfererende signalene.

Koplingsforhold for den optiske kopleren ble bestemt ved å anvende impulsresponsen til systemet hvor den optimale responsen var 1:2:1 forhold mellom pulsene slik at effekten fra alle banene ble lik.

Lys ble detektert ved den endeforbundne porten i kopler 408. Ved å rotere orienteringen av polarisasjonsstyreinnretningen ble inkoherensstøy i denne porten redusert med omtrent 20-30 dB ved en gitt frekvens.

Inkoherensstøy som ble målt på utgangen av systemet frembrakte et kosinusspekter med minimumspunkter omtrent hver 10 MHz. Periodisiteten korresponderer med tidsforsinkelsen til interferometrene 404 og 418 som var. omtrent 105 msek. Ved akustiske frekvenser var spekteret til støyen relativt flatt og ved sin maksimale verdi.

Det ble merket at dersom baner som ikke bidrar til de interfererende signalene ble gjort ortogonale på de interfererende signalbanene, så ble inkoherensstøyen minimalisert, mens dersom alle banene var parallelle, ble støyen maksimalisert.

Det geometriske middel av den maksimale detekterbare fasemodulasjons-amplituden med inkoherensstøyen minimalisert var 1,2 mrad/\/Hz. Når inkoherensstøyen i sensoren 404 var maksimal, gikk den minimale målbare akustisk ..forårsakede fasedifferansen (Acpa) til et gjennomsnitt på 4,1 mrad/\/Hz7 Forholdet mellom den maksimale og minimaliserte minimum detekterbare fasemodulasjon var 3,4.

En type polarisasjonsstyreinnretning som er egnet for anvendelse i sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse, så som utførelsen på fig. 11, er vist på fig. 12. Styreinnretningen omfatter en basis 570 på hvilken en flerhet av oppstående blokker 572a til 572d er montert. Mellom tilliggende blokker 572 er det tangensielt montert spoler 574a til 574c på aksler 576a til 576c, respektivt. Akslene 576 er aksielt innrettet med hverandre og er roterbart montert mellom blokkene 572. Spolene 574 er generelt sylindriske og er posisjonert tangensielt til akslene 576.

Et segment av optisk fiber 410 strekker seg gjennom aksielle hull i akslene 576 og er viklet om hver av spolene 574 for å danne tre spoler 578a til 578c. Radius til spolene 578 er slik at fiberen 410 blir strukket for å danne et dobbeltbrytende medium i hver av spolene 578. De tre spolene 578a til 578c kan roteres uavhengig av hverandre om akselaksene 574a til 574c, respektivt, for å justere dobbeltbrytningen til fiberen 410 Og således å styre polarisasjonen til lyset som passerer gjennom fiberen 410..

Diameteren og antall viklinger i spolene 578 er slik at de ytre spolene 578a til 578c tilveiebringer en rommelig forsinkelse på en-kvart bølge-lengde,,.,, mens den. sentrale .spolen<:>578d tilveiebringer en rommelig forsinkelse på en-halv bølgelengde. Kvartbølgelengdespolene 578a og 578c styrer elliptisiteten til polarisasjonen og halvbølgelengdespolen 578d styrer retningen til polarisasjonen. Dette gir en fulljustering av polarisasjonen til lyset som forplanter seg gjennom fiberen 410.

Det vil imidlertid forståes at polarisasjonsstyreinnretningen kan være modifisert for å tilveiebringe bare de to kvartbølgespolene 578a og 578c siden retningen til polarisasjonen (ellers tilveiebrakt av senterspolen 578b) kan styres indirekte ved riktig justering av elliptisiteten til polarisasjonen ved hjelp av de to kvartbølgespolene 578a til 578c. Følgelig er polar.isasjonsstyreinnretningene 551 og 557 vist på fib. 12 innbefattende bare de to kvartbølgespolene 578a og 578c. Siden denne utforming reduserer "totalstørrelsen til styreinnretningene 551 og 557, kan den være fordelaktig for visse anvendelser av den foreliggende oppfinnelse hvor det er plassbegrensninger.

Således tilveiebringer polarisasjonsstyreinnretningene 551 og 557 en innretning for å etablere, opprettholde og styre polarisasjonen til lyset innenfor armen 410 til sensor 404 og arm 428 til mottager 418.

En fiberoptisk utførelse av den variable forsinkelseslinje, så som 254 på fig. 4 og 318 på fig. 5, kan best beskrives med referanse til fig. 13-20.

Fig. 13 illustrerer en flerhet av optiske fibre 584 montert på et stykke 586 med individuelle V-spor (ikke vist) som strekker seg longitudinalt langs overflaten av stykket for å motta hver optisk fiber 584. Avtapninger er tildannet ved samtidig å polere fiberne og stykket 586 slik at hver av de optiske fiberne blir avtappet i en lateral linje 585.

De optiske avtapningene er konstruert på fiberne 584 ved å montere dem i en kurvet utforming slik at den valgte delen av den optiske fiberen 584 kan bli polert. Således er silisiumstykket 586 montert på en blokk av kvarts 580 som har en buet øvre overflate 582. Etter posisjonering av fiberne i V-sporene og festing av dem i sporene, blir de øvre overflatene av de optiske fiberne 584 slipet og polert i en lateral linje 585. Denne poleringsoperasjon fjerner en del av kappen fra fiberen selv om ikke alt kappematerialet rundt kjernen av den optiske fiberen 584 blir fjernet. Avstanden mellom kjernen til fiberen og den polerte overflaten avhenger av egenskapene til kopleren som skal tildannes, for å definere egnede samvirkeområder for kopling av lysbølgene.

Den øvre halvdelen av forsinkelseslinjen er tildannet av en kvartsblokk 591 som innbefatter et spor 593 av typen som ble brukt i den standardi-serte optiske kopler som ble beskrevet med henvisning til fig. 2. Sporet 593 har en relativt stor bueradius med topp i senteret av substratet 591. En-optisk- fiber 595 ér plassert i sporet 593 og festet ved å anvende epoksy eller annet egnet klebemiddel. Denne fiber blir så polert på det høyeste punktet av kurven langs med overflaten til kvartsblokken 591 for å gi en .plan overflate av kappen, som er få \ i separert fra kjernen til fiberen, pg som er koplanar_med overflaten til kvartsblokken 591.

En indekstilpassende olje er plassert på den polerte flate overflaten 82 på silisiumsubstratet 66. I dette tilfellet har den indekstilpassende oljen fortrinnsvis en brytningsindeks som er litt lavere enn indeksen til fiberelementene 584 og fiberkjernene selv for å forhindre tap av lys utenfor koplingsområdet.

For å få til en kontinuerlig og variabel forsinkelseslinje for i det minste et lite forsinkelsesområde, må kurveradiusen for det første substratet 596 være vesentlig større enn kurveradiusen for det andre substratet 591. Som et eksempel kan således det andre substratet 591 med den enkle fiberen 595 ha en kurveradius på omtrent 25 cm. Når den er avslepet og polert vil fiberen 595 ha en samvirkeområdelengde på omtrent 1 mm. Kurveradiusen til det første substratet 586 kan f.eks. være omtrent 50 cm. Når det første substratet 596 er avslepet og polert, vil samvirkeområdet være vesentlig lenger enn samvirkeområdet for det andre substratet. Når fiberen 595 til det andre substratet 591 er innrettet med en hvilken som helst av sløyfene til fiberen 584 i samvirkeområdet til det første substratet 596, kan således denne andre substratfiber 595 justeres langs lengden av det første substratsamvirkeområdet.

Denne bevegelse langs lengden virker på effektiv måte til å forandre lengden som lyset forplanter seg gjennom og tilveiebringer således en kontinuerlig variabel forsinkelse.

Selvfølgelig kan det sees at ved lateral justering av substratet 591 kan fiberen 595 bli koplet med enhver av sløyfene til fiberen 584. Ved således å bevege substratet 591, kan forskjellige mengder forsinkelse oppnås, hvilket tilveiebringer en diskret variable forsinkelseslinje. Selv om fig. 13 illusterer en kontinuerlig variabel forsinkelseslinje som del av et diskret variabelt forsinkelseslinjeelement, kan den kontinuerlige variabel forsinkelseslinje utformes ved å anvende bare en enkelt V-spor med stor kurveradius og fiber på det første substratet 596. Fig. 14 viser et sidebilde av den kontinuerlig variabel fiberoptiske forsinkelseslinje. På denne tegningen er forskjellen i kurveradius mellom det første substratet 586 og det andre substratet 591 tydelig. Det kan også sees av denne tegningen at ettersom det andre substratet 591 blir forskjøvet longitudinalt langs det første substratet 586 samtidig som det opprettholdes kopling med fiberen 584 i det første substratet 586, vil avstanden mellom fiberkjernene 595 og 584 variere noe på grunn av at kjernen til fiberen 584 er litt buet. Denne avstandsforskjell vil forårsake noe forskjell i kopling. For mange anvendelser vil forskjellen i kopling være ubetydelig. Dersom det imidlertid er viktig at koplingen skal være identisk for alle forsinkelser, kan mengden av kopling varieres etter behov ved å forflytte det andre substratet 591 lateralt i forhold til det første substratet 586. Som nevnt tidligere, tjener denne bevegelse til å endre koplingen mellom de to fibrene 595 og 584. Fig. 15 viser en sammensetning som tillater nøyaktig justering av det øvre substratet 591 i forhold til det nedre substratet 586 for å tilveiebringe den nødvendige relative bevegelse mellom substratene. Lateral og vinkelbevegelse utføres ved å feste kvartsblokken 580 i et nedre trau tildannet av et par vegger 602 og 604 til en ramme 606. Veggen 604 er litt lavere i høyde enn kanten av blokken 580 til forsinkelseslinjen. Et par hyller 608 over veggene 102 og 104 er brede nok til å tillate i det minste halvparten av bredden til substratet 591 og gli over dem. En øvre vegg 610 understøtter to fjærelementer 612 som opprettholder det første substratet 591 forspent bort fra veggen 610.

Et par mikrometere 614 og 616 er montert i rammen 606. Mikrometeret 614 bæres på det øvre substratet 591 til den variable forsinkelseslinjen mot en., fjær 612 og er justert til å endre den optiske kopling fra den ene til den andre av fiberne 584. Mikrometeret 614 er sentralt lokalisert på siden av substratet 591 for å tillate denne laterale justering uten rotasjon av substratet 591. Mikrometeret 616 er forskjøvet på det øvre substratet 591 slik at det kan bli brukt til å justere vinkelorienteringen til det øvre substratet 591 i forhold til det nedre substratet 580.

For å kunne oppnå longitudinal bevegelse av substratet 591 i forhold til substratet 586, blir substratet 586 holdt på plass longitudinalt av pinner så som pinnen 628. Substratet 591 blir forskjøvet longitudinalt over substratet 586 ved å rotere en knapp 630. Knappen 630 er mekanisk koplet til blokker 632 og_ 634 for å bevege dem samtidig longitudinalt over en blokk 636 etter behov. Blokkene 632, 634, og 636 innbefatter svalehalesammenføyninger 638 for å opprettholde innretning av disse elementene under slik justering. Når blokkene 632 og 634 blir forflyttet, vikrer trykket til mikrometerne 614, 616 og fjæren 612 på det andre substratet 591 til å holde dette substratet 591 slik at det vil bevege seg sammen med blokkene 632 og 634. Fig. 16—18 viser én kontinuerlig variabel forsinkelseslinje hvor kurveradiusen til det første substratet 586 er uendelig stor (dvs. at en del av substratet 586 er flat). Selv om dette er noe mer vanskelig å konstruere, vil plassering av fiberen 584 i et flatt silisium V-spor eliminere endringer i koplingen mellom fiberne 595 og 584 langs lengden av fiberen 584. Mens det andre substratet 595 blir beveget over det flate substratet 586 vil således avstanden mellom kjernene til fiberne 591 og 584 forbli konstant. Fig. 17 og 18 illustrerer maksimal og minimal forsinkelse respektivt for denne innretningen. Innretningen for å bevege det andre substratet 591 i forhold til det første substratet 586 er et mikrometer 642. Dette mikrometer 642, så vel som innretningen for å bevege substratene i forhold til hverandre som illustrert på fig. 15, kan være motorisert eller servostyrt på en kjent måte.. Fig. 19 og 20 viser to arrangementer for å oppnå et bredt område av kontinuerlig og: variabel forsinkelse'ved anvendelse av en kombinasjon av et diskret variabelt forsinkelseselement og et kontinuerlig variabelt forsinkelseselement. På fig. 19 kan det sees at det første elementet i forsinkelseslinjen er en diskret variabel forsinkelse hvori hver sløyfe-forsinkelse er lik T. I serie med denne variable forsinkelse er det en kontinuerlig variabel forsinkelseslinje hvori den variabel forsinkelse er fra 0 til T. Den kontinuerlig variable forsinkelse kan være tilveiebrakt ved å kombinere en flerhet av kontinuerlig variable forsinkelseselementer som tilveiebringer kortere perioder av forsinkelse i serie med hverandre inntil de tilveiebringer en total kontinuerlig forsinkelse lik T.

Fig. 20 "er et eksempel på hvordan kombinasjonen diskret og variabel forsinkelse på fig. 13 kan bli brukt i serie med en diskret variabel forsinkelse for å tilveiebringe en kontinuerlig variabel forsinkelse over et bredt område av tidsperioder. Kombinasjonsinnretningen vil ha en diskret variabel forsinkelse hvori hver sløyfeforsinkelse er lik T. Den kontinuerlige forsinkelse til kombinasjonsinnretningen vil være fra 0 til T/4. Den diskrete variable forsinkelseslinjen som er plassert i serie med kombina-sjonsforsinkelseslinjen vil ha en sløyfeforsinkelse på T/8. Dette vil virke til å tilveiebringe en kontinuerlig og variabel forsinkelseslinje over en periode av forsinkelser lik N X T hvor N er antallet sløyfer i kombina-sjonsforsinkelsesinnretningen.

Claims

Anordning for f jernavføling av omgivelsespå virkning på et par av sensorer (110a, 110b), karakterisert ved

en lyskilde (100);

første og andre lysbaner (102, 110/^114, 118a; og 102, 110b, 114, 118b) for nevnte lyskilde, idet nevnte første og andre baner er adskilt i i det minste et avfølingsområde (110a, 110b) og er sammen-føyd,, i et transmisjonsområde (114) som omfatter en enkelt felles forplåhtningsbane, og hvor i det minste en av nevnte første og andre

. lysbaner blir påvirket av en omgivelseseffekt i nevnte avfølings-

område;

tredje og fjerde lysbaner (106, 122a; og 106, 122b) som er hovedsakel i <g.> like i lengde respektivt med nevnte første og andre lysbaner (102, 110a, 114, 118a; og 102, 110b, 114, 118b), og som er optisk koplet til transmisjonsområdet (114) til den første og andre lysbane, idet nevnte tredje og fjerde lysbaner ikke er utsatt for den samme omgivelseseffekt som nevnte første og andre lysbaner; og

en innretning (102a, 102b) for å kombinere lys fra nevnte første, andre, tredje og fjerde lysbaner, idet nevnte innretning kopler på koherent måte lys bare fra lysbaner som i hovedsak korresponderer i lengde med en spesifikk av nevnte første og andre lysbaner til enhver tid.

2.

Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved

en første flerhet av optiske bølgeledersegmenter som definerer i det minste en del av nevnte første og andre lysbaner;

i det minste et andre optisk bølgeledersegment for å forplante lys gjennom i det minste en del av nevnte tredje og fjerde lysbaner; og et tredje optisk bølgeledersegment som er optisk koplet til en av nevnte første flerhet av optiske bølgeledersegmenter og til nevnte andre optiske bølgeledersegment slik at lys fra nevnte første flerhet av bølgeledersegmenter blir forplantet til den optiske forbindelse med nevnte andre bølgeledersegment bare gjennom nevnte tredje optiske bølgeledersegment.

3.

Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at i det minste en del av det andre optiske bølgeledersegmentet innbefatter en variabel forsinkelseslinje som tillater at den optiske banelengden til nevnte andre optiske bølgeledersegment kan varieres slik at den optiske banelengden til nevnte andre optiske bølgeleder tilveiebringer nevnte tredje lysbane i et første tidspunkt og nevnte fjerde lysbane i et andre tidspunkt.

4.

Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved

i det minste første og andre optiske bølgeledersegmenter som er optisk koplet til lyskilden og som definerer i det minste første og andre optiske signaltransmisjonssegmenter som omfatter nevnte transmisjonsområder og i det minste første og andre sensorsegmenter som omfatter nevnte sensorområder, idet nevnte sensorsegmenter er følsomme for omgivelseseffekter;

i det minste et tredje optisk bølgeledersegment som er optisk koplet til nevnte transmisjonssegmenter til nevnte første og andre optiske bølgeledersegmenter og er mekanisk uavhengig av nevnte første og andre sensorsegmenter og som definerer nevnte tredje og fjerde lysbaner; og

en innretning som er optisk forbundet til nevnte kombinasjonsinnretning for å frembringe et signal som representerer tilstander som forårsaker variasjon i lystransmisjonsegenskapene i sensorsegmentene, idet nevnte signal korresponderer med fasedifferansen til koherent koplet lys fra kombinasjonsinnretningen, med nevnte koplede lys koherent for nevnte første og andre sensorsegmenter ved forskjellige tidspunkter.

5.

Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved

en første optisk bølgeleder som er optisk koplet til lyskilden;

en andre optisk bølgeleder som definerer et av nevnte transmisjons - områder;

første""og andre fiberoptiske sensorer som definerer nevnte avfølings-områder idet nevnte sensorer har lystransmisjonsegenskaper som

varierer som reaksjon på omgivelsestilstander, og nevnte sensorer har hver første og andre terminaler som er optisk koplet i et avstands-

forhold til respektive første og andre optiske bølgeledere slik at nevnte sensorer og nevnte første og andre bølgeledere definerer i det minste deler av nevnte første og andre lysbaner; og

i det minste en tredje optisk bølgeleder er optisk koplet i kombinasjonsinnretningen til den andre optiske bølgelederen og er uavhengig av de fiberoptiske sensorene, idet nevnte tredje optiske bølgeleder definerer i det minste en av nevnte tredje og fjerde lysbaner med en lengde slik at lyssignalene som forplanter seg i denne interfererer koherent ved ethvert gitt tidspunkt med lys fra ikke fler enn en av nevnte første og andre lysbaner i nevnte kombinasjonsinnretning og derved tilveiebringer et utgangsoptisk signal som omfatter fasedifferansen til de interfererende lyssignalene, hvori nevnte utgangsoptiske signal representerer tilstander som forårsaker variasjon i lystransmisjonsegenskapene i nevnte sensor.

Anordning som angitt i krav 5, k a r, a k t e r i s e r t v e d at nevnte første og andre fiberoptiske sensorer er adskilt fra hverandre slik at avstanden i banelengde til nevnte første og andre lysbaner er større enn en kildekoherenslengde til lyskilden;

hvor nevnte tredje optiske bølgeleder definerer nevnte tredje og fjerde lysbaner; og

hvor innretningen for å kombinere lys fra nevnte første, andre,

tredje og fjerde lysbaner kopler på koherent måte lys fra bare et av nevnte par av lysbaner til enhver tid.

7.

Anordning som angitt i enten krav 5 eller 6,

karakterisert ved at i det minste en del av den tredje optiske bølgelederen omfatter en variabel forsinkelseslinje som tillater at den optiske lengden til nevnte tredje optiske bølgeleder kan varieres slik at den optiske banelengden til nevnte tredje optiske bølgeleder definerer en optisk bane som i hovedsak er lik nevnte første lysbane ved et første tidspunkt, og en optisk bane med en lengde som i hovedsak er lik nevnte andre lysbane i et andre tidspunkt.

8.

Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved

en flerhet av optiske fibersensorer optisk koplet til lyskilden, som hver definerer i det minste nevnte første og andre lysbaner slik at nevnte lysbaner har forskjellige lengder; og

hvor nevnte innretning for å kombinere lys fra nevnte første, andre, tredje og fjerde lysbaner kombinerer lyssignaler fra nevnte optiske fiberbaner slik at lyssignaler som kopler koherent frembringer et signal som indikerer differansen mellom omgivelseseffektene som blir detektert i to forskjellige sensorer.

9.

Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at:

den første, andre, tredje og fjerde lysbane er optisk kombinert for å

definere en optisk bane som har en sensordel som er følsom for omgivelseseffekter; anordningen er videre kjennetegnet ved:

en innretning for å sende lys fra lyskilden i en første og andre retning gjennom nevnte optiske bane slik at nevnte lys i nevnte første og andre retninger forplanter seg gjennom nevnte sensordel i forskjellige tidspunkter; og

hvor nevnte innretning for å kombinere lys kombinerer dette lys som

har gjennomløpt nevnte optiske bane i nevnte første retning med lys som ,har gjennomløpt nevnte optiske bane i nevnte andre retning slik

at nevnte kombinerte lys som koples koherent omfatter et mål for endringshastigheten til omgivelsestilstander som påvirker nevnte sensordel.

10.

Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 9,

karakterisert ved at lyskilden består av en optisk kilde som har en kort koherenslengde.

11.

Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 5 eller 8,

karakterisert ved at den første og andre lysbane er forskjellig i lengde i en mengde som i det minste er så stor som en koherenslengde til lyskilden.

12.

Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 5, karakterisert , ved at den tredje og den fjerde lysbane bare eksisterer ved forskjellige tidspunkter.

13.

Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 3 eller 8,

karakterisert ved at innretningen for å kombinere lys tilveiebringer et utgangssignal som omfatter fasedifferansen til det koherent koplede lyset idet nevnte fasedifferanse er representativ for omgivelseseffekter som påvirker denne lysbane hvis lys blir koherent koplet i nevnte kombinasjonsinnretning.

14.

Anordning som angitt i enten krav 8 eller 9,

karakterisert ved at lyskilden frembringer pulsede optiske signaler.

15.

Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at:

nevnte lyskilde består av en kilde av pulsede optiske signaler; og hvor anordningen er videre kjennetegnet ved:

en første optiske bølgeleder som er optisk koplet til signalkilden;

en andre optisk bølgeleder som definerer et av nevnte transmisjonsområder;

en flerhet av optiske bølgeledersensorer som definerer nevnte avfølingsområder, idet nevnte sensorer har lystransmisjonsegenskaper som varierer som reaksjon på omgivelsestilstander, og nevnte sensorer har første og andre terminaler, idet hver sensor er optisk koplet ved sine første og andre terminaler respektivt til den første og andre optiske bølgeleder slik at nevnte sensorer og nevnte første og andre bølgeledere definerer i det minste deler av første og andre lysbaner, idet nevnte sensorer er lokalisert i avstand fra hverandre langs den første og andre optiske bølgeleder slik at deler av et

optisk pulssignal fra signalkilden blir sendt fra den første bølge-lederen gjennom hver sensor og blir så multiplekset på den andre optiske bølgelederen og frembringer en streng av pulssignaler på nevnte andre optiske bølgeleder hvor koplingssteder til de optiske bølgeledersensorene på den første og andre optiske bølgeleder er adskilt slik at den optiske banelengdedifferansen for lys forplanter seg gjennom hvilke som helst av to tilliggende sensorer er i hovedsak identisk og er stor nok til at pulssignalene på den andre bølgelederen ikke overlapper; og

en tredje optisk bølgeleder som er optisk koplet i kombinasjonsinnretningen til den andre optiske bølgelederen og er uavhengig av de optiske bølgeledersensorene, idet nevnte tredje optiske bølgeleder definerer i det minste en av nevnte tredje og fjerde lysbaner og får lys sendt gjennom seg langs en optisk banelengde og produserer koherent interferens i nevnte kombinasjonsinnretning mellom valgte pulser i den andre og tredje optiske bølgeleder og derved tilveiebringer et fasedifferansesignal som korresponderer med tilstander som forårsaker variasjon i lystransmisjonsegenskapene i spesifikke optiske bølgeledersensorer.

16.

Anordning som angitt i enten krav 5 eller 15,

karakterisert ved at i det minste en tredje optisk bølgeleder omfatter en tredje og fjerde optisk bølgeleder, idet nevnte tredje og fjerde optiske bølgeleder definerer i det minste en del av nevnte tredje og fjerde lysbaner og derved tilveiebringer overvåkning av omgivelseseffekter på den første fiberoptiske sensoren ved hjelp av lys fra den tredje optiske bølgelederen, og overvåker omgivelseseffekter på den andre fiberoptiske sensoren ved hjelp lys fra den fjerde optiske bølgelederen.

17.

Fremgangsmåte for fjernavføling av omgivelseseffekter på et par av omgivelsesfølsomme sensorer i et fordelt sensorsystem,

karakterisert ved følgende trinn:

forplantning av lys fra en lyskilde gjennom første og andre lysbaner definert i det minste delvis av en flerhet av optiske bølgeledere, idet nevnte første og andre lysbaner påvirkes av en omgivelseseffekt i første og andre lokaliseringer;

forplantning av lys gjennom tredje og fjerde lysbaner definert i det minste delvis av i det minste en andre optisk bølgeleder, idet nevnte tredje og fjerde lysbaner i hovedsak har lik lengde med respektive første og andre lysbaner og ikke blir utsatt for den samme omgivelseseffekt som de første og andre lysbaner;

forplantning av lys fra den første flerhet av optiske bølgeleder-segmenter til en optisk forbindelse med det andre bølgelederseg-mentet gjennom bare et tredje optisk bølgeledersegment; og

kombinasjon av lys fra nevnte første, andre, tredje og fjerde lysbaner for koherent å kople lys bare fra lysbaner som i hovedsak har samme lengde til en spesifikk av nevnte første og andre lysbaner til enhver tid.

18.

Fremgangsmåte for fjernavføling av omgivelseseffekter som angitt i krav 17, karakterisert ved at trinnet med forplantning av lys gjennom tredje og fjerde lysbane består i følgende trinn:

forplantning av lys gjennom nevnte tredje lysbane i et første tidspunkt; og

forplantning av lys gjennom nevnte andre bane i et andre tidspunkt.

19.

Fremgangsmåte for å identifisere tilstandspåvirkede sensorer i et fordelt sensorsystem, karakterisert ved følgende trinn:

transmisjon av et lyssignal inn i første og andre optiske bølgeleder-segmenter som har i det minste første og andre transmisjonssegmenter og i det minste første og andre sensorsegmenter, idet nevnte sensorsegmenter er følsomme for omgivelseseffekter;

transmisjon av et lyssignal inn i et tredje optisk bølgeledersegment som er mekanisk uavhengig av nevnte sensorsegmenter og som definerer første og andre mottak er lysbane r som i hovedsak har samme lengde som de respektive lysbaner i nevnte første og andre bølgeledersegmenter, idet nevnte tredje bølgeledersegment ikke blir utsatt for de samme omgivelseseffekter som de første og andre sensorsegmentene; og

optisk kopling av lys fra de første og andre optiske bølgeleder-segmentene og fra den første og andre mottakerlysbanen og derved frembringe et optisk utgangssignal som representerer tilstander som forårsaker variasjon i lystranmisjonsegenskaper i sensorsegmentene,

idet nevnte utgangssignal er koherent for nevnte første og andre sensorsegmenter i forskjellige tidspunkter.