CN101246026B - 光传感器询问系统的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用扫描波长光源以确定波长偏移的光传感器测量方法，以及实施和采用这些方法的光传感器系统。可变扫描速率扫描光源用于确定从光学询问器至被测量的光传感器的光学距离。该数据然后能够如期望或需要的用于实施传感器或进行传感器测量。具体地，该数据能够用于光传感器系统中以补偿归因于连接测试的光传感器的光学介质中有限光速的潜在测量误差。

Description

光传感器询问系统的方法和设备

相关申请的交叉参考

本申请要求于2006年10月24日申请的U.S.临时申请60/862756的优先权，此处通过参照其整体将其并入。

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及用于具有光学距离测量能力的、基于多扫描速率的扫描波长激光器的光传感器询问系统的方法和设备。

背景技术

光学传感应用在多个领域中增长，诸如民用结构、航空宇宙、油和气、许多其它之间。要对光传感器技术继续进行更多的发展。随着传感器性能和复杂化的增加，对于光学测量设备(例如传感器询问器，包括光源，检测器和波长参考)来说，显现出日益迫切需要在多种物理和环境条件下监控光传感器的速度、精确度和可靠性。

尽管传感器应用多样化，但是下面的传感器询问器需求对于多种应用是公共的。询问器将对多个传感器(～50-～100个传感器)，优选地数千个传感器，提供精确和可靠的、低噪声波长测量(优选地+/-2至5pm)。询问器能够利用多个信道(例如4个信道，并且优选地可扩展为16个信道)起作用。询问器具有高光学功率的高速数据获取(例如250Hz-1KHz)，以便确保高获取速度下的高动态范围(DR)，以及确定性的数据获取和转移至PC(例如与TCP-IP通信协议的兼容性)。询问器也将具有宽广的工作温度范围(例如10-40℃，或0-50℃)，并且对预涂涂装(field application)显示出机械可靠性(比如在Telcordia Technologies文献，GR-63-CORE中概括的)。此外，询问器应当能够甚至使用长的引入光纤(例如100km来回行程)提供精确和可靠的传感器测量。

存在多种基本询问器系统设计选择，试图满足上面列出的宽广需要。

通过商业上可获得的二极管阵列，具有宽带源、色散元件和二极管阵列这种系统的系统不能实现需要的波长测量可重复性和分辨率。低宽带源功率限制了信道计数/传感器能力以及至传感器的动态范围/距离的最终需要的组合。

具有宽带源和光谱分析器(OSA)或实验室多线路波长计OSAs的系统是大、缓慢、昂贵的，并且不具有宽的工作温度范围。多线路波长计仅以低速度获取数据，并且机械上是不坚固的。再次地，低宽带源功率限制了信道计数/传感器能力以及至传感器的动态范围/距离的最终需要组合。

具有光学时域反射计的系统(OTDR)OTDR/TDM(取决于时间的多路复用)-这种系统的低损耗预算排除了它们与优选更大量的传感器和/或信道一起的使用，并且数据获取频率随着增加的传感器数量而按比例减小。最小物理光栅间隔限制了这种系统在一些应用中的使用。

具有具有功率计和波长计的外腔可调谐激光器的系统-外腔可调谐激光器是缓慢、昂贵的，并且不具有宽的工作温度范围或需要的机械坚固性。功率计和波长计的增加增加了体积、复杂性和成本，以及减小了可靠性和速度。窄线激光器的极化特性对于全部传感应用来说不是理想匹配的。

相反，采用诸如在U.S.专利6449047中描述的扫描波长(sweptwavelength)激光源的询问器提供了需要的光学输出功率以用于高信道和高传感器数量，而不折衷高数据获取速度或高测量动态范围。利用扫描波长激光源，以从100Hz-1kHz(具有在2-10kHz范围中的潜能)的速度，每一个传感器具有25dB的动态范围，光传感器询问器可以横越四个信道同步收集数十或上百个传感器上的数据。高输出功率也允许到遥远的传感器的物理到达，使新的光传感器应用成为可能。例如，给出0.22dB/km的光纤衰减常数(例如对CorningSMF-2

光纤)，si425光学传感询问器(Micron，Optics，Atlanta GA)能够适应超过100km来回行程的光纤引入长度。扫描波长光纤激光器的热和机械坚固性使得可实现现场准备方案，其满足对于热冲击和存储、传送和办公室震动、以及高相对湿度、以及需用于多种应用的宽工作温度范围的严格可靠性要求。扫描波长激光传感器询问器设计已经通过了在Telcordia GR-63中阐述的全部热和机械存储和冲击环境，并且显示出10-40℃，或0-50℃的宽阔工作温度范围。高分辨率检测和低噪声使得可实现最严格光学传感测量所需要的分辨率和可重复性。100Hz-1kHz处产生的数据允许对传感器值快速和便利地求平均，以便产生大于0.02pm的测量灵敏度。

因此，尽管几种测量方法可以解决列出的一部分需要，但是采用扫描波长光纤激光系统的询问器系统唯一地能够同步满足上面所列需要的全部。

扫描波长激光器用作光纤光传感器询问系统的光源具有多个优点。然而为了产生精确和可靠的传感器测量，必须连续校准这种传感器询问系统的扫描波长激光。由于该源被扫描，所以如在这种系统中感知的，传感器波长易受光纤中光有限光速产生的偏移的影响。本发明提供了用于校准传感器询问系统特别是采用扫描波长激光器的那些传感器询问系统的潜在非线性源的影响和耦合至光传感器的传输光纤中有限光速的相关影响的方法。

发明内容

本发明涉及为测量诸如光纤光传感器的窄带光传感器并补偿与具有扫描波长光源的传感器询问系统的使用相关的潜在传感器波长误差而设计的设备和方法。该设备和方法也以高精确度提供从该设备至一个或多个(优选多于一个)互连的光纤光传感器的距离测量。本发明的设备和方法对在其中传感器产生多个窄带光学信号的那些系统特别有用，比如由光纤Bragg Grating传感器和光纤Fabry-Perot传感器例如光纤F-P干涉计产生的那些信号。本发明的设备和方法对在其中使用包括扫描波长光纤激光器的扫描波长激光器作为为可调谐的光源的那些询问系统特别有用。

本发明的设备结合扫描波长(也就是可调谐的波长)光源，利用集成光学波长参考连续监控该光源。光学检测系统同步处理来自光学波长参考信道和传感器测量信道的信号。计算机控制(优选地内置)用于控制发射器和接收器电路，对测量数据执行各种计算，并且提供用户接口。

在传感器询问器系统中，通过比较在波长参考信道上检测到的信号之间的时延和由传感器测量信道处理的信号执行基本的传感器波长测量。当光源的扫描速率非常低时，或者从询问器至光传感器的距离非常短时，在光学参考信道信号和传感器测量信号之间存在直接的时间关系。然而，当扫描速率或传感器光学距离增加时，互连光纤中有限光速引起的延迟将在至检测电路的返回光学信号中引起延迟。光源的不同扫描速率的使用将导致不同的、明显的传感器波长偏移，尽管对于给定的传感器沿光纤的飞行时间将精确地相同。能够采用从相同的传感器获取的两个不同扫描速率的数据计算至给定的传感器的距离。在具体实施例中，在两个不同的已知扫描速率对于给定传感器的波长测量的飞行校正的时间的迭代计算，假定实际的飞行对于两个测量条件是相同的，使得可实现从询问系统至传感器的物理距离的精确和可靠的确定。该方法可用于测量从光纤光传感器阵列中的每一个传感器至询问系统的光学距离(实际距离与光纤折射率的知识)。然后，至每一个传感器的光学距离可以用于通过校正由于传感器信号延迟的波长偏移来精确测量阵列中每一个传感器的传感器波长。

本发明具体提供了一种利用多个激光扫描速率推断至多个窄带光传感器比如FBG传感器的光学距离方法。本发明进一步涉及用于进行这种多个扫描速率测量的激光器和询问器系统结构。本发明进一步提供了一种方法，其用于基于每一个不同激光扫描速率下由每个传感器测量的飞行时间产生的标准化的成比例时延，推断从询问器至传感器系统中的一个或多个光传感器的光学距离(以及实际距离)。能将通过于此描述的计算而产生的光学距离输出至显示器、存储至存储器、打印或者另外作为输出产生及用于各种目的，包括传感器测量中使用它们来补偿飞行时间引起的传感器测量偏移。在具体实施例中，光学距离数据被输出进入计算机或处理器系统中以补偿传感器测量中的偏移。以闭型或迭代可以求解该方法中执行的计算。本发明也提供了传感方法，其中补偿这种偏移以提供更精确的测量。

更一般地，于此的说明和方法可以采用从任何技术获取的距离信息补偿基于扫描波长激光的光学元件测量中飞行时间引起的波长偏移。从例如标准的光学时域反射计(OTDR)能够获取距离信息，但是OTDR不能区别光谱地窄的特征，比如通过FBG产生的那些。在优选方法中，尤其适用与在其中产生光谱地窄的特征的系统，通过一系列多个速度波长扫描使用用扫描激光询问系统进行距离测量。能够在已经安装的传感器和光纤上执行该方法，并且不需要打乱或卸载该系统或传感器，并且不需要询问系统自身以外的任何附加设备。

本发明的另一个目标是提供一种自动方法，以使光传感器询问器可以执行传感器光学距离测量和计算合适的波长校正因子。

附图说明

图1是采用扫描波长源的传感器询问系统的光学元件的示意图；

图2是应用具有距离测量能力的扫描光源的传感询问器系统的功能性框图；

图3是包括在图2的理想实施例中的激光发射器模块(TX)的功能性框图；

图4是包括在图2的理想实施例中的接收器模块(RX)的功能性框图；

图5A和B是描述了利用图1的系统中的波长参考确定传感器波长的插值法的示意图；在图5A中，引入光纤的长度(L)是短的，并且它的偏移效果是可忽略的；相反，在图5B中，引入光纤的长度足够长以导致不可忽略的波长偏移；在本文中描述例子，其中L是100m和20Km；

图6A是描述了双扫描速率传感器测量法的计时示意图，导致用于距离计算和校正的波长偏移的两个时延(简化情况)；

图6B是描述了双扫描速率传感器测量法的计时示意图，导致用于距离计算和校正的波长偏移的两个时延(通常情况)；

图7是基于飞行时间的距离测量计算算法的示例的操作流程图；

图8A-8H是如应用于图1-3中描述的系统中的迭代双扫描速率距离测量程序的一系列四个图形表示；在图8A-H中，两个最高峰的较高者是在本文中作为“黑色”描述的“实际接收的信号”。两个最高峰的较低者是在本文中作为“蓝色”描述的“时间调节信号”；“FFPI”参考峰是每一个上部处都没有圆点的一系列相等高度峰，在本文中被描述为“红色”；波长参考的参考FBG部分(component)信号是与FFPI峰等高的单个较亮峰，在本文中被描述为“白色”；图8A、C、E和G表示以扫描光源的第一扫描速率(具体地500Hz)进行的测量，而图8B、D、F和H表示以扫描光源的第二扫描速率(具体地1KHz)进行的测量；在图8A(500Hz)和B(1KHz)中，利用0m距离评估，波长差是4.1705nm；在图8C(500Hz)和D(1KHz)中，利用2085m距离评估，波长差是1.998nm；在图8E(500Hz)和F(1KHz)中，利用a.3795m距离评估，波长差是0.225；在图8G(500Hz)和H(1KHz)中，利用4015.2m距离评估，波长差是0.0001nm。

具体实施方式

“扫描光源”或“扫描波长光源”涉及一类输出窄光谱的光源，该窄光谱能够被在通常40nm或更大的相对宽波长范围内电或机械地调谐。对于传感应用特别感兴趣的是提供1.5μm波长范围内波长的那些源。可以用于本发明的扫描波长光源的例子包括扫描波长光纤激光器、外腔扫描波长激光器、分布Bragg反射器激光器(DBRL)和与可调谐滤波器结合提供扫描波长光源的宽带源。示例的外腔扫描波长激光器包括在U.S.专利6594289中描述的那些。宽带源，比如如在U.S.专利4730331中举例说明的超辐射LED源(SLED)和比如在U.S.专利4637025中举例说明的超辐射源，能够与可调谐的滤波器尤其是Fabry-Perot可调谐的滤波器组合(参照下面列出的其它参考，U.S.6373632)以提供扫描波长光源。在本发明中有用的扫描或可调谐光源包括能够以连续或离散的可调节扫描速率工作的那些光源。具体用于传感器应用的扫描波长激光器是U.S.专利6449047中描述的那种。可以用于此的另外的扫描波长激光器由U.S.专利6816515举例说明。能够为传感器波长偏移校正或简单地测量到一或多个光传感器的距离而实施本发明的方法的扫描光源是能够以至少两个不同的扫描速率操作的那些。优选地，扫描光源可以以相差1.5至3的因子的扫描速率工作。

“波长基准”是一种装置，其可以识别和确定由扫描光源在扫描中给定点处产生的光的波长。在本发明的传感器询问系统中，波长被耦合至合适的光学探测器，比如光电二极管。尤其在本发明中有用的波长基准是在U.S.专利5838437、5892582、6115122和6327036中描述的那些。这些专利中的波长基准包括波长校正的多波长基准，该多波长基准包括干涉计，该干涉计提供为横跨波长范围的梳齿峰的光谱输出，其中，梳齿的峰之间的间隔是精确已知的。波长基准也包括光纤Bragg Grating(基准FBG)，该光纤Bragg Grating提供梳齿的波长范围内所选择波长处的光谱输出(其可以是基准FBG的中心或特征波长处的峰或凹口)。FBG的光谱输出标记识别它的波长梳齿的峰，干涉计和FBG的组合输出提供基准光谱输出。干涉计能够例如是固定空腔光纤Fabry-Perot干涉计。

这里所用的术语光传感器通常指其光谱输出对传感器的环境中的变化(温度、压力、应力等)敏感的任何传感器，并且其中光谱输出的变化(强度、波长、极化、相位等)表示传感器的环境中的变化，并且能够用于测量或传感传感器的环境中的变化。本发明的传感器询问系统对由于传感器的环境变化而引起的光传感器的波长变化的测量尤其有用。本发明特别涉及光纤光传感器，其中光纤是有助于传感的变换器。在具体实施例中，本发明的光传感器是光纤Bragg Grating(FBG)。

光纤传感系统基本由光源、光纤、传感元件或变换器和检测器组成。光纤传感器的工作原理是变换器调制光学系统的一些参数(强度、波长、极化、相位等)，这引起在检测器处接收的光学信号的特征改变。光纤传感系统的传感元件包括FBG。光学传感系统能够包括一个并且优选多个FBG。

光纤Bragg Grating是通过在光纤芯中引入周期性的折射率结构而形成的取决于波长的滤波器/反射器。只要宽频谱的光束撞击在光栅上，它的一部分能量将透射，并且另一部分将被反射掉。反射光信号将是以Bragg波长(也被称作中心或特征波长，其对应于两倍的周期性单元间隔Λ)为中心的非常窄的峰。透射光信号包括具有以Bragg或中心波长为中心的凹口的频谱。通过应力或温度引起的光纤的模态指数或光栅节距的任何改变将导致给定的FBG的Bragg或中心波长特征中的偏移。光传感器阵列典型地包括多个传感元件，比如FBG。传感阵列可以包括多个FBG，每个具有不同的Bragg或中心波长。可替代地，在给定的传感器阵列中，可以包括多个传感器信道，其中给定信道中的FBG每个具有不同的Bragg或中心波长。传感器阵列能够包括多个这种传感器信道。

本发明提供了用于测量询问系统(实际上询问系统的测量检测器)和一个或多个光传感器比如传感器信道或阵列中的FBG之间的光学距离和物理距离的方法。经由光纤，这些传感器在这种信道和阵列中光学地耦合至传感器询问系统。于此可交换地使用术语光路和距离，因为如果将这些传感器耦合至询问器的光纤的折射率是已知的，则可以容易地从光学距离确定物理距离。

图1描述了采用扫描波长光源的光传感器询问系统(10)的光学示意图。波长可调谐光源(例如扫描波长激光器(12))连接至光学基准信道(3)和任何数量的光传感器测量信道(例如4，为了简化仅示出一个测量信道)。传感器信道可以包括一个或多个光传感器。可以两个或多个(多重)扫描速率横越可编程(选择的)的波长范围扫描该光源。将光源信号的一部分经由光学耦合器8(例如可以使用90/10(测量/基准)耦合器)耦合至基准信道3和监控相对于时间的透射输出波长的波长基准(15)。波长基准识别和测量来自光学装置比如光传感器的波长，特别是来自光纤Bragg Gratings(FBG)的那些波长。基准信道也包括光学接收器或检测器(19)。这些传感器测量，例如信道4，在图1中以虚线框描绘，并且包括耦合器9(例如50/50耦合器)、光传感器14和光学接收器(检测器)20。光学耦合器9通过长度(L)的光纤将来自光源12的光耦合至光传感器14，并且将来自传感器的光耦合进入检测器20。每一个传感器测量信道也包括相关的数据处理硬件(未在图1中示出)，该相关的数据处理硬件确定被检测的传感器波形的具体特征，比如峰、中心、或3dB值。触发具体传感器测量的时刻与经由光学基准信道提供的光源波长相关。

图2是采用具有距离测量能力的扫描光源的询问器的功能性框图。四个主要功能框表示激光发射器控制模块(30)、光学接收模块(40)、用于硬件控制和数据处理的计算和控制模块(50)、以及用于功率分布和交互模块电缆管理的接口(60)。

接口是对询问器电路提供必须的电压调节、分布和滤波的接口PCB。它也提供用一种装配用户可用的的功率连接和开关功能的装置。

中央处理单元(CPU)是商业上可获得的单板计算机(SBC)，该单板计算机执行需要的全部控制和通信功能，以及对询问器的数据获取系统提供的数据执行各种计算。

发射器框(详见图3中)用于控制各个光学元件(半导体光学放大器，SOA，Fiber-Fabry-Perot Tunable Filter，FFPT等)和解码并分配SBC总线信号。

接收器框(见图4)包括必须的电-光元件，需要该电-光元件来转换光学信号成电等价物并处理以给SBC使用。

图3是图2的发射器模块(TX，30)的主要发射器电路的详细框图。微处理器(31)连接至多个扫描控制元件(32)，该多个扫描控制元件影响发射器激光器的扫描速率和范围，以及控制用于激光增益介质的操作参数。通过数据总线(34)经由数据转移元件(33)将数据传送至微处理器元件和传送来自微处理器元件的数据。管理总线信号并且经由“总线-桥控制器”将总线信号路由至合适的电路。板上Field-Programmable Gate Array(FPGA)解码和分配桥控制器的输出。编程在FPGA中的电路经由精确的数模转换器提供FFPTF的振幅、偏置和频率控制。这些转换器的输出被滤波和放大，并且用于驱动可调谐的光学滤波器。附加电路提供用于SOA的驱动和热电冷却(TEC)控制。

图4是包括在图2中的接收模块(40)的接收器电路的详细框图。高速度、低噪声、互阻抗放大器将感兴趣的光学信号转换成电等价物。将从基准和DUT光学信号得到的电信号通过连接器(41)发送至接收器模块(40)电子装置。这些信号被进一步放大和滤波(42)以及峰检测(44)。从峰检测电路，经由连接器(45)，将相关的计时脉冲发送至CPU模块(50)以用于波长校准和距离测量。高速比较器用于提供对应于测试中的光传感器的峰的数字信号。

图5A和5B描述了图1的光学扫描源询问系统中使用的确定测试的光传感器波长的基本测量技术。在该例子中，当通过扫描波长(也就是可调谐的)光源扫描光学基准时，在均匀隔开、已知的波长间隔处产生轮廓分明的峰。两个波长峰，分别标记为tλa和tλb，用于表示检测器处的时间相关的峰到达，表示正好在测试的传感器波长tDUT之下和之上的基准波长峰。基于已知基准波长峰，通过插值确定测试的光传感器的波长。

根据与已知基准波长的比较以及DUT峰和基准峰达到光电二极管时的时间计算测试的装置(DUT)传感器波长校准。如在两个下面的例子的每一个中例证的，执行插值计算DUT波长。

下面例证了进行基于传感器测量校准扫描波长的基本方法，以及例证了光学信号中的飞行延迟时间对得到的传感器测量结果的影响。

传感器检测以以下方式发生，由图1中的示图说明。扫描波长源(12)在随着时间增加的波长范围处发射光。在基准(3)和一个或多个传感器测量信道(例如4)之间分裂光。光的一部分通过光学基准(15)到达基准检测器(19)，例如光电二极管。来自源的另一部分光被透射至一个或多个传感器例如14，然后被反射，并经由耦合器9传递至传感器测量检测器20，该传感器测量检测器能够是光电二极管。

进行这两个光电二极管的同步获取，得到由图5A中的说明近似的数据组。与传感器(DUT)波长的计算相关的是五个参数：1)tλa，检测基准峰a时的时间；2)λa，基准峰a的波长；3)tλb，检测基准峰b时的时间；4)λb，基准峰b的波长；以及5)tDUT，检测传感器或DUT峰时的时间。以下面的方式计算DUT波长：

方程1：λDUT＝λa+(tDUT-tλa)/(tλb-tλa)*FSR，其中

方程2：FSR＝λb-λa

为了示例目的，将假定用于计算的一些值。因为计算基于插值，并且将消除偏移，因此tλa将被假定等于零。给出～800pm的自由频谱范围(FSR)，～80nm的可调谐激光的全扫描，以及250Hz的扫描速率(因此单个的“向上扫描”占据2ms)，tλb可被计算为(0.8nm/80nm)*2ms＝20.0μs。如果tλb被测量为是5.0μs，并且λa是1520.000nm，那么：

λDUT＝1520.000nm+(5.0μs/20.0μs)*0.8nm＝1520.200nm。

下面描述了对引入光纤存在的传感器波长插值的影响(L大于零，并且典型地比零大得多)。给定光必须以通过传送介质指示的速度行进，对于任何光学信号横越指定距离存在有限长度的时间。对于多种传感器应用，相比于光的速度和询问系统的获取速度，该距离是相对短的。在高速扫描波长激光系统的情况下，引入光纤的显著长度的存在能够产生DUT计时延迟，该DUT计时延迟可以显现为传感器波长的明显波长偏移。

光以～2.997×108m/s的速度，典型地通过符号c表示，在真空中行进。该速度随着传输介质的折射率n而改变，并且可被计算为：

方程3：cn＝cvac/n

从而在光纤中，光以2.997×108/1.5＝1.9986×108m/s行进，其中n＝～1.5。

以该速度，往返行程行进时间下降，例如100m的光纤是：

2*1.0×102m/1.9986×108m/s＝1.0μs。

通过图5B中的DUT轨迹偏移描述了该时延。由于DUT传感器的波长校准是基于时间的线性插值，1.0μs延迟将对得到的波长值具有直接的影响。如下是该例子中的计算，其中L是100m：

λDUT＝1520.00nm+((1.0μs)/20.0μs)*0.8nm＝1520.240nm。

该结果表示，利用250Hz扫描波长激光系统，引入光纤增加100m将增加(偏移)DUT传感器的检测波长～40pm。

执行类似的计算，其中引入光纤(L)非常大，例如20Km。

2*20.0×103m/1.9986×108m/s＝200μs。

并且波长计算是：

λDUT＝1520.200nm+((200μs)/20.0μs)*0.8nm＝1528.0nm。

该结果表示，利用250Hz扫描波长激光系统，光纤增加20km将增加(偏移)DUT传感器的检测波长～8nm。

通过引入光纤的扫描波长激光的传输延迟与扫描源的局部转换速率(扫描速率的变化)和引入的长度成线性比例，两者都导致线性波长偏移。表1示出了对于各种光纤长度对5Hz SL系统和250Hz SL系统的近似波长偏移的例子，假定理想化的线性波长扫描。重要地注意，这些值假定线性的波长扫描，并且仅仅是估计。实际的波长偏移将从这些值改变，但在传感器询问器装置中仍可被完全地校正。

表1作为扫描波长激光转换速率和往返行程引入光纤距离的函数的近似感知的传感器波长偏移。

RT引入光纤	5Hz扫描波长激光	250Hz扫描波长激光
			2m	0.008pm	0.4pm
200m	0.8pm	40pm
			1000m	4pm	200pm
2km	8pm	400pm
			20km	80pm	4nm
40km	160pm	8nm
			100km	400pm	20nm

表1描述了光速度对单个的传感器(给定波长的)上的基于扫描波长的传感器测量的影响。传感器系统大部分常常包括不同特征或中心波长的多个传感器。如果扫描波长源的波长扫描速率在它的扫描范围上是连续和线性的，则表1中的近似将形成充分补偿技术的基础。然而，扫描波长源的许多实施显示出在横越扫描波长频谱的非线性转换速率(扫描速率的变化)。于此使用术语转换速率指作为沿着被扫描的波长范围的扫描行进的函数的扫描波长激光的扫描速率的变化。由于扫描波长源的转换速度的非线性变化，对于不同的波长传感器，得到的飞行时间引入的误差能够是不同的，即使它们位位在距询问设备的相同的物理距离处。此外，激光的非线性转换速率的热灵敏度也能够仅仅通过改变扫描波长激光询问系统的周围环境条件引起探测的传感器波长的附加偏移。

飞行延时也在一定程度上受到引入光纤自身的温度的影响。对于对光纤指数变化和温度变化的名义比率：

dn/dT＝1×10-5/℃

基于0至65℃的操作温度的折射率的变化将是～0.065％。对于100km的往返旅程距离和1.4682的名义折射率，基于折射率极端的两个飞行时间将是：

t1＝100000m*(s/2.997×108m)*(1.4682)＝489.890μs

t2＝100000m*(s/2.997×108m)*(1.00065*1.4682)＝490.21μs

利用该差490.21-489.89＝0.32μs和800pm/20μs的较早的每单位延迟的波长偏移评估，我们可以推断：对于在65℃的温度范围和100km的往返旅程引入光纤以250Hz运行的扫描波长激光器来说，应当被感知的最大波长偏移是：

800pm/20μs*0.32μs＝12.8pm

对于在小于65℃的温度范围和小于100km的距离运行的扫描波长激光系统，最大波长偏移将对应地较小。

通过至传感器的光学距离的知识可以校正传感器波长的波长偏移。该光学距离是物理长度和折射率的乘积。可以以几种方式获得光学距离。用于产生必要的传感器距离信息的优选方法是如于此描述的利用扫描波长光源传感器询问器自身直接测量该距离。该方法仅需要对光纤的一端的访问。得到的距离数据可以用于它的内在信息值，以及用于基于光速的波长偏移补偿。

通过确定至每一个传感器的光学距离和采用确定的光学距离为每一个传感器校正的波长偏移，在图1的传感器询问系统中校正感知的传感器波长偏移，该感知的传感器波长偏移由扫描波长源的转换频率L和温度影响引起。为了确定至传感器的光学距离，在图1的普通传感器系统中采用的扫描波长光源必须能够以两个或多个不同的扫描(扫描)频率进行波长扫描。在具体实施例中，使用两个扫描速率(第一扫描速率SR1，以及第二扫描速率SR2)，并且更具体地一个扫描速率是另一个的两倍。在下面的图6和8A-8H的描述中，使用500Hz(SR1)和1KHz(SR2)的额定扫描速率。

如上面指出的，光源信号的一部分耦合至波长基准，，该波长基准监控作为时间的函数的传输的输出波长。传感器测量信道包括光学接收器和相关数据处理硬件(图2-4)，数据处理硬件确定检测的传感器波形的具体特性比如峰、中心或3dB值的。触发具体的传感器测量时的时间与经由光学基准信道而供给的光源波长相关。

图6A描述了用于光学扫描源询问系统的基本测量技术(如在图5A和B中示出的)，以便利用修改在测试中确定光传感器波长，该修改是以扫描光源的两个不同扫描速率对给定传感器进行测量。当通过可调谐的光源扫描光学基准时，以均匀隔开的、已知的波长间隔(70)产生清楚的峰。两个波长峰，标记为tλa(72)和tλb(72)，分别表示刚好在以每个扫描速率测试的传感器波长之下和之上的基准波长峰tDUT(500Hz)(73)或tDUT(1kHz)(74)。基于已知基准波长峰的插值确定测试的光传感器的波长tDUT(real)(75)。该描述例证了最简单的情况，其中在相同的两个FP基准峰之间及时检测tDUT，500Hz和tDUT，1kHz，在这里被标记为tλa和tλb。如此，利用方程1和2使用tλa和tλb的相同值和λa和λb的相同值，以两个扫描速率校准传感器波长。

图6B示出了用于距离计算算法的更普通的情况。在该情况中，以两个激光扫描速率测量传感器时的标准化时间落在两个不同组的FP基准峰之间。两个信号飞行的实际时间是相等的，但是扫描基准峰时的频率对于两个扫描速率是不同的。当距离引入的飞行时间大于扫描一个FSR所用的时间时，测量传感器时的两个标准化时间将常常返同在不同组的PF峰之间。

为方程1和2的插值计算而选择的峰基于标准化的事实，并且然后依据选择的迭代步骤，比如在图7中描述的，标准化以该两个扫描速率的每一个测量传感器时的距离调节(校正)时间，。

例如，关于第一迭代，具有测试距离值为0的1kHz传感器感知波长将基于围绕测量传感器时的时间的两个峰之间的插值，在这种情况下，为两个最右边的FP基准峰t4和t5，其中t4＝tλa，其中t5＝tλb。用于该计算的波长λa和λb将被选择为反映峰t4和t5的校正的基准波长，并且将依据方程1和2执行该计算。类似地，关于第一迭代，具有测试距离值为0的500Hz(SR1)传感器感知波长将基于围绕测量传感器时的时间的两个峰之间的插值，在这种情况下为t3和t4，其中t3＝tλa及t4＝tλb。用于该计算的波长λa和λb将被选择为反映峰P4和P5的校准的基准波长，并且将依据方程1和2执行该计算。

因为测试距离增加，并且在每一个扫描速率处用于传感器的标准化时间减小，因而对于将FP基准峰括入在内(bracketing)的选择可能发生变化，但是对于计算的程序，每个波长将保持相同。最后，因为测试距离增加，并且以第一和第二扫描速率(1kHz和500Hz)测量的感知测量传感器波长之间的差收敛，因此将为方程1和2选择括入括号的FP基准峰。

在为选择的光传感器执行距离测量中，以两个不同的频率扫描该源。对于在从扫描波长激光询问器沿着引入光纤(L)的相同物理距离处选择的相同光传感器，这些不同的扫描速率导致两个不同标准化的、成比例的时延。在图6A和6B的例子中，使用500和1kHz的两个扫描速率，并且描述来自相同名义距离处的相同名义传感器的两个时延信号。虚线表示概念上的“真实”传感器信号(75)，好像在如图1中布置的光学电路中不存在明显的光纤引入距离。具有标为73的峰的线表示以500Hz的扫描速率在未知距离处测量的来自光传感器的时延信号。具有标为74的峰的线表示以1KHz的扫描速率在未知距离处测量的来自光传感器的时延信号。在全部情况中，对于每一个扫描速率，X轴是与总获取周期成比例的标准化时间。以这种方式，至光传感器的固定飞行时间示出为1KHz扫描的总获取时间的增加的部分，其相比较于1/2速度的500Hz扫描。

图6A也示出了500Hz轨迹和未知“真实”轨迹(76)之间成比例的概念往返旅程延迟和1kHz轨迹和未知“真实”轨迹(77)之间的成比例概念往返旅程延迟。利用500Hz和1kHz扫描的总获取时间的知识，并且利用以两个不同扫描速率扫描产生的两个“感知”波长测量，具有两个未知量的一系列两个同步方程被求解，以便推断出至传感器的实际距离和传感器的实际波长，而不受光纤引入长度的影响。

λReal＝f(tDUT，500Hz，SR1)

λReal＝g(tDUT，1kHz，SR2)

其中，SR2＝2*SR1，其中SR1和SR2是对分别在500Hz和1kHz的每个激光扫描的标准化时延。

可以以多种方式执行传感器距离的计算。首先，以两个扫描速率获得算术拟合函数，该两个扫描速率将Fabry-Perot基准信号的已知波长与检测那些FP峰时的时间相关。利用已知或假定的光学系数(方程除以系数，因此不需要实际值)，可以建立光传感器信号在光纤中飞行时间的变量。两个方程中其他未知的变量是传感器的实际波长。以两个扫描速率检测光传感器峰时的时间是已知的。因此可以设置一系列两个方程和两个未知量。求解两个变量获得至传感器的两个光学距离和它的实际波长的精确测量，而不受光纤引入长度的影响。

如图7的流程图中例证的，也可以迭代计算至传感器的距离和实际波长值。操作顺序如下。首先，以第一扫描速率(SR1，例如500Hz)进行光源的扫描，然后以第二扫描速率(SR2，例如1kHz)进行光源的扫描。两种情况中对于基准扫描的标准化计时信号是相同的，因为至光学电路的基准臂的距离是可以忽略的。对用于两种不同情况的测量传感器来说，标准化计时信号将基于至传感器的距离和光学信号的对应飞行时间而不同。本领域技术人员将认识到，除了图7中具体示范的那些方法外的方法在本领域中也是已知的，并且可以容易地被应用于迭代计算距离和实际波长。

如上面描述的，根据一个显著的差别，执行每个传感器的波长计算。作为波长计算的一部分，从接收信号减去每个传感器测量的单位时间。该单位时间反映到传感器的假定距离(测试距离)的光纤中的飞行时间。关于第一计算，使用第一测试距离(td1)，例如可以使用为零的td1，反映没有光纤引入长度的初始假定。需要注意，在两个扫描速率下，至传感器的实际飞行时间是相同的。从接收信号减去的单位时间与对每个扫描速率的激光询问器的总获取时间成比例。简而言之，以1kHz进行的传感器测量上的1微秒延迟与500Hz扫描测量上的同样的1微秒延迟相比，将对得到的波长计算有多于近似两倍的影响。

假定以零米开始，在具有普通引入光纤长度的普通传感器上执行该距离补偿的波长计算。当完成500Hz和1kHz测量的计算时，比较得到的波长测量以提供测试波长差(Δtw1)。对于相同传感器的波长测量来说，如果以两个不同的扫描速率扫描获得的测试波长差在选择低误差容限内，也就是如果Δtw1小于选择的可接受值，则确定用于校正的波长计算的测试距离精确地在选择的误差和至传感器的距离内，并且得出实际传感器波长是已知的。如果两个波长值不在选择的可接受值范围中，确定测试距离太小，并且选择增加的td2，并且重复计算。该迭代步骤随着增加用于计算对应的测试波长差(也就是Δtw(n)，其中n是1，2，...n)的测试距离值(也就是td(n)，其中n是1，2，...n)而继续，直至测试波长差小于选择的可接受波长差时选择的测试距离，这表明以两个不同的扫描速率测量的校正的传感器波长值是相等的。产生可接受的低Δtw的测试距离被确定为是至传感器的实际或真实距离，并且计算的波长被确定为来自传感器的校正的波长。

在以两个不同的扫描速率扫描传感器的波长之后，能够对要被测量的每个传感器重复迭代过程并且能够对如需要或期望测量与给定的传感器相关的波长变化的给定传感器重复迭代过程。如上面所述，对每一对连续的波长计算来说，迭代步骤包括选择地增加测试距离。实际上，利用扫描速率之比和时延对波长测量的近似影响的知识，可以进行测试距离的更有效的成比例迭代。

可以采用如上面所述的方法校正传感器测量中的波长偏移，或者可以使用该方法确定传感器询问器系统中一个或多个传感器的距离。该方法对传感器距传感器询问器至少100m传感器系统特别有用。该方法可被应用于传感器阵列中多个传感器的测量。

图8A-8H示出了在实际距离测量过程中在四个测试距离的每一个对每个扫描速率(500Hz和1kHz)的实际计时信号和获得的时间调节信号的图形表示。在每一种情况中，500Hz扫描速率数据获取(图8A，C，E和G)的图与1kHz获取的相应图(图8B，D，F和H)相比较。对于每一幅图，示出已知间隔的FP基准峰组(被表示为红色峰)和标记基准方案中的基准峰(被表示为白色峰)的波长基准的内部FBG部分。每一幅图也包括被表示为黑色峰的、来自未知距离(两个较高峰的最高)处所选择的光传感器的测量信号(假定延迟时间)，以及基于至传感器的假定测试距离计算的时间调节信号(被表示为蓝色峰)。在下面的例子中，可接受的波长差异被选择为1pm或更小。

从图8A和B开始，可以看出某些影响。首先，基准FBG峰(白色)和飞行延迟光传感器的时间(黑色)之间的相对差(其可通过红色峰的数量计算)对于500Hz扫描(8A)和1kHz扫描(8B)是不同的。这再次说明了对于两个获取频率来说，相同的飞行时间表现为不同的感知、标准化、成比例的计时偏移。图8A和8B反映了在选择的测试距离为零时，距离测量计算的第一迭代的输出。对于每一个获取，每个测量和较正的计时信号中没有差别，这反映在每一幅图上的一致的黑色和蓝色轨迹中。利用上面所述的插值校准方法，对每个获取频率(扫描速率)执行波长计算，并且两个不同扫描速率下测量的波长之间的波长差被测量为高于选择的可接受差异的4.1705nm。需要注意，如果以两个不同的扫描速率测量的两个波长之间的测量差异被确定为低于选择的可接受波长差，则确定为不存在波长偏移的不可接受的水平，并且不需要校正。第一测试距离选择为零是用于迭代增加测试距离的便利起始点，然而，测试距离的迭代可以从非零值开始。基于传感器的已知近似距离或在可能近似实际距离的任何合理值处能够进行测试距离的初始选择。

因为利用td＝0计算的波长差是不可忽略的，所以距离评估增加。下面，在图8C和8D的描述中，采用2085米的n增加的测试距离。现在注意，对于每个扫描速率，测得的和计算的计时信号(分别为黑色和蓝色)已经开始分离。然而，还需要注意，已知白色基准FBG和计算的蓝色信号之间的距离仍然明显不同。对于2085米测试距离，得到的波长差计算是1.998nm。再次地，计算的波长差高于小于1pm的选择的可接受波长差。

图8E和8F示出了测试距离的另一个迭代结果。在这种情况下，假定和使用3795米的测试距离，并且计算仅0.225nm(225pm)的波长差。再次地，计算的波长差高于小于1pm的选择的可接受波长差。

图8G和8H示出了测试距离的另一个迭代结果。在这种情况中，采用4015.2米的测试距离值，并且计算0.0001nm(0.1pm)的波长差。需要注意，在这些图中，白色和蓝色轨迹之间的相对差几乎是相同的，对于两个扫描速率得到了高度相似的校正的波长值。在该点处，完成迭代，因为计算的波长差低于上面指出的选择的可接受值。至传感器的距离因此被推断为4015.2米，并且利用4015.2米的补偿距离产生的波长值被推断为光传感器的实际峰谐振波长。

能够使用执行迭代步骤以确定距离的多种方案。在具体实施例中，标准正割方法，具体地假定仅存在一个零的修改的Newton-Raphson方法。为了确保可靠和可重复的测量，可以重复如在上面所述的整个迭代步骤或其合适部分，并且对得到的值求平均，直至实现测量的可接受的分布。

在具体实施例中，通过以第一扫描速率(SR1)和第二扫描速率(SR2)连续扫描以获取不同速率的每对连续扫描的数据并随后基于最小化给定传感器在两个不同扫描速率的校正的测量的波长之间的差异进行迭代过程实现确定到给定光传感器的距离的方法。获取两个不同扫描速率下的连续扫描中的波长比较的数据被认为最小化了由与距离无关的变化引起的测量的波长差。然而，可以理解，不需要这种连续的数据收集。通过获取第一扫描速率下的大量扫描的平均结果，接着获取第二扫描速率下的大量扫描的平均结果，可以实施该步骤。利用校正的平均波长能够实施用于最小化波长差的迭代过程。优选地，最小化不同的扫描速率的扫描之间的时间，其中数据被迭代处理以便迭代确定距离。

本申请涉及扫描波长激光光纤光传感器测量中的光速影响，以及采用该影响的优点的方法和装置。除了别的以外，本发明的应用包括双速度扫描技术的使用，其容许扫描波长激光传感系统完全自补偿否则可能变成距离引入的波长测量误差，以及包括双速度扫描技术的使用，其以至传感器的绝对距离测量的形式产生关于光传感器的附加信息。

通常，在本发明的传感器询问系统中能够采用能够在多于一个扫描速率下被扫描的任何扫描波长源。于此的方法通常可用于能够在50Hz或更高的扫描速率被扫描(波长调谐)的光源，并且特别适用于能够在100Hz以及更高的扫描速率下工作的光源，包括50Hz至10KHz以及100Hz至几KHz的宽广范围。能够使用高速扫描滤波器和扫描波长激光具体实施该方法。特别有用的扫描波长激光是如在Yun et al.91998 Optics Letters 23(11)843-845 and U.S.patent 6449047中所述的光纤激光。

通常，于此的方法可用于任何传感器询问器系统，其中传感器波长的识别和测量取决于传感器波长到达检测器时的时间。除其它的以外，有用的传感器询问器系统包括U.S.专利6115122、7157693和7060967中的那些。于此的方法特别有利于与扫描激光询问器(例如扫描ECL)和扫描宽带光源询问器(例如SLED-TF，ASE-TF)一起使用，特别是采用可调谐的F-P滤波器的那些。于此的方法在那些传感器系统中特别有用，在那些传感器系统中，测量检测器和任何传感器之间存在充分长的距离以产生不可忽略的不期望的波长偏移。会引起不期望的偏移水平的光纤长度通常取决于波长测量的灵敏度的期望水平和扫描波长源(见表1)的扫描速率。用于校正的波长偏移的本发明的方法在那些系统中更有用，在那些系统中扫描波长源被以超过50Hz的频率和对50m或更大(例如50m至几十千米)的来回行程光纤长度扫描。用于校正的波长偏移的本发明的方法能够提供10pm或更小的波长测量灵敏度，更具体地可以提供2pm或更小的波长测量灵敏度，并且优选地提供1pm或更小的波长测量灵敏度。在U.S.专利5838437、5892582、6115122和6327036中描述了特别有用的波长基准。

当于此公开了一组装置元件材料或方法时，可以理解，这些组的全部各个组件和其全部子集被分别公开。当于此使用Markush组或其它组时，该组的全部各个组件和所有该组的可能的组合和子组合试图被分别包括在公开内容中。于此描述或示例的元件的每个组合可以用于实践本发明，除非另外声明。一旦在说明书中给出范围，例如温度范围、时间范围、距离范围、波长范围或成分范围、全部中间范围和子范围，以及被包括在给出范围中的全部单独值试图被包括在公开内容中。

如于此使用的，“包括”与“包含在内”，“包含”或“特征在于”同义，并且是计算在内的或可扩充的，并且不排除附加的、未叙述的元件或方法步骤。如于此使用的，“由...组成”排除没有在权利要求元件中指定的任何元件、步骤或成分。如于此使用的“基本上包括”不排除不显著影响权利要求的基本和新颖特征的材料或步骤。在于此的每一种情况中，宽阔的术语“包括”包括更狭窄的“基本上包括”和更窄的“由...组成”。

在没有未在这里具体公开的任何元件、限制时，可以实践这里适当例证描述的本发明。

本领域的熟练技术人员可以理解，在不采取不适当的实验的前提下，在本发明的实践中能够采用不是那些具体示例的材料、基片、装置元件、光源、光检测器、校准方法、光谱方法和分析方法。任何这种材料和方法的所有本领域已知的功能性的等价物试图被包括在本发明中。已经被采用的术语和表达被用作术语的描述，并不是限制，并且不试图在这种术语和表达的使用中排除示出和描述的特征或其一部分的任何等价物，而是可以认为到在请求保护的本发明范围中，各种修改是可能的。因此，可以理解，尽管通过优选实施例和最佳特征已经具体描述了本发明，但是于此公开的概念的修改和变形对本领域的熟练技术人员是可以采取的，并且这种修改和变形被认为在如所附权利要求限定的本发明范围中。

在说明书中提到的全部专利和公开物表示本发明涉及的本领域熟练技术人员的水平。于此引用的参考以它们的整体于此被参考结合，以便表示在它们的申请日时的现有技术的状态，并且试图于此采用该信息，如果需要，以便排除现有技术中的具体实施例。

通过参照将这里引用的所有参考在与说明书的公开不矛盾的程度上并入此处。于此提供的一些参考被参考结合，以便提供涉及光传感器系统的元件和操作的细节、涉及光学询问系统的元件和操作的细节、涉及光学检测器或适于用于这里的系统和方法、本发明的附加测量方法和附加应用的光源的元件和操作的细节。

下面专利文献的一个或多个能够提供包括有用于本发明的波长基准和FFP(光纤Fabry-Perot滤波器)的询问系统的细节：U.S.专利7063466、6904206、5838437、5289552、5212745、6241397、5375181、6504616、5212746、5892582、6115122、6327036、5422970、5509093、5563973、于2006年6月12申请的系列号为11/452094的U.S.专利申请、于2006年8月31申请的系列号为60/824266的U.S.临时申请、以及于2007年8月30申请的系列号为11/848028的U.S.申请。引用的专利或专利申请的每一个于此以它的整体被参照结合，以便提供对本发明有用的装置或装置元件的说明。

Claims (15)

1.一种用于确定从光传感器询问系统至光纤光传感器的距离的方法，其中光纤光传感器通过光纤的长度耦合至所述询问系统，其包括步骤：

(a)向所述传感器询问系统提供扫描波长光源，所述光源能够在两个或多个不同的已知扫描速率下工作；

(b)在第一已知扫描速率下扫描所述扫描波长光源，并且确定所述第一扫描速率下所述光传感器的第一测量波长；

(c)在第二已知扫描速率下扫描所述扫描波长光源，并且确定所述第二扫描速率下所述光传感器的第二测量波长，其中所述第一和所述第二扫描速率是不同的；

(d)假定对于所述第一和所述第二扫描，来自所述光传感器的实际波长是相同的，并且采用所述第一和所述第二已知扫描速率，以及在两个不同的扫描速率下测量出的所述光纤光传感器的所述第一和所述第二测量波长，计算从所述光传感器询问系统至所述光纤光传感器的所述距离。

2.如权利要求1所述的方法，其中，通过迭代过程计算所述距离，在所述迭代过程中测试距离以递增方式改变，以便从所述第一测量的波长计算第一校正的波长和从所述第二测量的波长计算第二校正的波长，所述迭代过程一直继续，直至从所述递增的测试距离计算出的所述第一校正波长和所述第二校正波长之差被最小化，满足该条件的所述测试距离被确定为所述传感器询问系统和所述光纤光传感器之间的所述距离。

3.如权利要求1所述的方法，其中从在第一和第二扫描速率下顺序进行的第一和第二扫描确定所述第一和第二测量的波长。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一扫描速率和所述第二扫描速率相差因子二。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述扫描波长光源是扫描波长激光器。

6.如权利要求1所述的方法，其中从由外腔扫描波长激光器、分布的Bragg反射镜激光器和结合可调谐的滤波器的宽带源组成的组中选择所述扫描波长光源。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述扫描波长光源可以在50Hz或更高的扫描速率下工作。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述传感器询问系统包括波长基准，该波长基准依次包括光纤Fabry-Perot滤波器以提供已知间隔的梳状峰，并包括基准FBG以提供已知波长的峰以标记和识别所述梳状峰的各个波长。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述光传感器是传感器阵列中的传感器，并且所述距离被确定为到传感器阵列中的两个或多个传感器的距离。

10.一种用于校正在光纤光传感器的测得的波长中的偏移的方法，其中该波长在包含扫描波长光源的传感器询问系统中测得，该偏移由光纤中有限速度的光飞行时间延迟引起，包括步骤：

(a)由权利要求1所述的方法确定从所述光纤光传感器至所述询问器系统的所述距离；以及

(b)采用在步骤(a)中确定的所述距离来校正所述测量的波长。

11.如权利要求10所述的方法，其中通过迭代过程计算所述距离，该迭代过程中测试距离以递增方式改变，以从所述第一测量波长计算第一校正波长和从所述第二测量波长计算第二校正波长，所述迭代过程一直继续，直至从所述递增的测试距离计算出的所述第一校正波长和所述第二校正波长之差被最小化，满足该条件的所述测试距离被确定为所述传感器询问系统和所述光纤光传感器之间的所述距离。

12.如权利要求10所述的方法，其中从第一和第二扫描速率下连续的第一和第二扫描确定所述第一和第二测量的波长。

13.如权利要求10所述的方法，其中所述扫描波长光源能够以50Hz或更高的扫描速率工作。

14.如权利要求10所述的方法，其中所述光纤光传感器是FBG或光纤Fabry-Perot传感器。

15.如权利要求10所述的方法，其中所述光纤光传感器距离所述询问系统至少100m。

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