專利名稱：校準(zhǔn)光學(xué)fmcw反向散射測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量系統(tǒng)領(lǐng)域，諸如光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，例如用于借助傳感器例如光學(xué)傳感器測(cè)量空間分布的物理特性的系統(tǒng)。
本發(fā)明具體涉及一種校準(zhǔn)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)諸如光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包括激勵(lì)和估算部分以及縱向延伸的傳感器，傳感器具有第一和第二端，激勵(lì)和估算部分適于將調(diào)制頻率為fm的調(diào)頻光信號(hào)激勵(lì)到傳感器的第一端，并估算從傳感器的第一端接收的傳感器信號(hào)，傳感器適于基于從中可提取傳感器沿其長(zhǎng)度在第一和第二端之間的空間分布測(cè)量點(diǎn)的物理參數(shù)的調(diào)頻光信號(hào)來(lái)捕獲數(shù)據(jù)信號(hào)。
本發(fā)明還涉及反向散射測(cè)量系統(tǒng)，諸如光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)，并涉及計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
本發(fā)明例如可在以下應(yīng)用中有用諸如測(cè)量例如沿公路、在隧道中、在管道或電纜中、在工業(yè)設(shè)備中的大型裝備中的空間分布的物理參數(shù)如溫度、濕度、力等。
背景技術(shù)：
以下對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的說(shuō)明關(guān)于本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域之一，即基于光學(xué)喇曼反向散射的分布溫度測(cè)量。但本發(fā)明也可應(yīng)用于不是基于光學(xué)反向散射的其它測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明與之相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)FMCW反向散射系統(tǒng)的實(shí)例在EP-1 548 416中作了說(shuō)明。
光學(xué)反向散射系統(tǒng)例如可包括已調(diào)制激光源；傳感器，用于捕獲物理量(如溫度、力、濕度等)的空間分布測(cè)量，形式為光波導(dǎo)例如光纖；混頻、濾光和接收元件(包含光電轉(zhuǎn)換器)；信號(hào)處理和計(jì)算單元，用于變換和估算反向散射的信號(hào)，并用于確定所討論的物理量的空間分布圖。
光學(xué)反向散射系統(tǒng)的典型問(wèn)題是提供測(cè)量系統(tǒng)(包含傳感器)的明確校準(zhǔn)。用于測(cè)量分布的溫度分布圖的現(xiàn)有技術(shù)FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)系統(tǒng)，例如在EP-0 692 705中所述的光學(xué)頻域反射測(cè)定系統(tǒng)，必須人工校準(zhǔn)，即使傳感器(如光纖)暴露于沿其長(zhǎng)度在預(yù)定位置的許多適當(dāng)定義的熱點(diǎn)，其中用已校準(zhǔn)的溫度傳感器測(cè)量那些位置的實(shí)際溫度，以使實(shí)際的分布圖已知。
由于復(fù)頻率數(shù)據(jù)(即數(shù)據(jù)包括實(shí)部和虛部)的特性，所校正的頻率數(shù)據(jù)值是含糊不清的。
現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的其它問(wèn)題包含由于以下一項(xiàng)或多項(xiàng)引起的測(cè)量誤差a)DC誤差a1)FMCW溫度方法例如基于對(duì)來(lái)自光纖的光的喇曼反向散射作為激光器頻率調(diào)制(fm)的函數(shù)進(jìn)行測(cè)量。作為光纖長(zhǎng)度函數(shù)的喇曼光的反向散射曲線是基于計(jì)算光電檢測(cè)器信號(hào)的逆傅里葉變換。這種逆傅里葉變換算法要求對(duì)fm＝0Hz和最大激光器調(diào)制頻率之間的反向散射信號(hào)作復(fù)測(cè)量。逆傅里葉變換的第一頻率點(diǎn)(DC值)的測(cè)量很困難，因?yàn)檫@個(gè)值與光電檢測(cè)器信號(hào)的典型穩(wěn)定分量重疊。
a2)DC值不是常數(shù)。該值取決于傳感器特性(例如用作傳感器的光波導(dǎo)的不同長(zhǎng)度或不同規(guī)范，參閱圖6和7以及相應(yīng)說(shuō)明)。
b)由于組件的容差和非線性性質(zhì)引起的誤差FMCW喇曼技術(shù)要求在寬頻帶上(fm可例如在從0Hz到100MHz的范圍內(nèi))對(duì)非常弱的喇曼反向散射光信號(hào)(低至微微瓦的范圍)作為調(diào)頻激光的函數(shù)進(jìn)行光纖測(cè)量。激光的強(qiáng)度平均是恒定的。由于弱檢測(cè)器信號(hào)，光學(xué)組件(激光器、光電檢測(cè)器、濾光器等)和電子組件(放大器、混頻器、濾波器等)的容差對(duì)反向散射質(zhì)量和所得到的溫度曲線均具有可察覺(jué)的影響。同樣，光學(xué)和電子組件的非線性性質(zhì)在頻率數(shù)據(jù)中產(chǎn)生失真。結(jié)果是沿溫度分布圖的非線性失真降低了溫度測(cè)量系統(tǒng)的精確性。
c)由于不同測(cè)量通道之間的串?dāng)_引起的誤差不同測(cè)量通道之間的串?dāng)_可在溫度分布圖中引起形式為隨機(jī)噪聲和非線性干擾的附加誤差(參閱例如圖10和相應(yīng)的說(shuō)明)。
d)由于老化效應(yīng)引起的誤差由于弱喇曼檢測(cè)器信號(hào)以及頻率信號(hào)和溫度分布圖之間的上述FMCW測(cè)量相關(guān)性，光學(xué)和電子組件上的老化效應(yīng)對(duì)測(cè)量裝置的質(zhì)量和穩(wěn)定性也有影響。
e)由傳感器線路改變而引起的誤差如果改變光學(xué)傳感器線路改變，那么以前的校準(zhǔn)就不再有效。這主要是由對(duì)頻率數(shù)據(jù)的DC值的影響而引起的。
上述不希望有的效應(yīng)對(duì)喇曼溫度測(cè)量系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性都有影響。消除和分離這些影響用當(dāng)前的校準(zhǔn)過(guò)程不太可能。因此，當(dāng)注意到系統(tǒng)質(zhì)量有變化時(shí)，必須重復(fù)校準(zhǔn)過(guò)程。這既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢(qián)。當(dāng)前校準(zhǔn)過(guò)程的另一弱點(diǎn)是，所發(fā)生的誤差對(duì)得到的測(cè)量質(zhì)量(例如系統(tǒng)準(zhǔn)確性(精度))有嚴(yán)重影響。這就是說(shuō)，對(duì)測(cè)量精度有較高要求的新應(yīng)用不能用當(dāng)前系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種校準(zhǔn)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)如光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)的方法，它能改進(jìn)測(cè)量的精度。另一目的是提供一種適合于自動(dòng)化的校準(zhǔn)方法。另一目的是提供一種適合于大量生產(chǎn)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法。另一目的是提供一種適合于在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中使用的校準(zhǔn)方法。
本發(fā)明的目的是通過(guò)在所附權(quán)利要求書(shū)中所述的以及如下文所述的本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的一個(gè)目的由校準(zhǔn)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)如光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括激勵(lì)和估算部分以及縱向延伸的傳感器，傳感器具有第一和第二端，激勵(lì)和估算部分適于將調(diào)制頻率為fm的調(diào)頻光信號(hào)激勵(lì)到傳感器的第一端，并適于估算從傳感器第一端接收的傳感器信號(hào)，所述傳感器適于基于從中可提取傳感器沿其長(zhǎng)度在第一和第二端之間的空間分布測(cè)量點(diǎn)的物理參數(shù)的調(diào)頻光信號(hào)來(lái)捕獲數(shù)據(jù)信號(hào)，所述方法包括如下步驟A.將所述接收的傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為作為所述調(diào)制頻率fm函數(shù)的復(fù)接收的電信號(hào)，所述復(fù)接收的電信號(hào)由作為所述調(diào)制頻率fm函數(shù)的幅值部分和相角部分來(lái)表示；B.對(duì)所述接收的電信號(hào)執(zhí)行變換以提供作為所述傳感器的所述第一和第二端之間及所述第二端以外的位置函數(shù)的反向散射信號(hào)；C.從作為位置函數(shù)的所述反向散射信號(hào)中確定表示所述第二端以外的所述反向散射信號(hào)的曲線特征；D.在所述曲線的預(yù)定相關(guān)性中校正所述接收的電信號(hào)的所述幅值部分和所述接收的電信號(hào)的所述相角部分；E.在已校正的所接收電信號(hào)的基礎(chǔ)上重復(fù)步驟B)。
在步驟F，可選地重復(fù)步驟C、D、E，直到滿足預(yù)定準(zhǔn)則為止。
在步驟A稱為“作為調(diào)制頻率fm函數(shù)的所接收電信號(hào)”的復(fù)測(cè)量信號(hào)(頻率數(shù)據(jù))和在步驟B稱為“作為所述傳感器的所述第一和第二端之間以及第二端以外的位置函數(shù)的反向散射信號(hào)”的反向散射曲線之間，存在唯一的數(shù)學(xué)變換過(guò)程逆傅里葉變換。用于數(shù)學(xué)變換快速計(jì)算的實(shí)用工具分別是快速傅里葉變換(FFT)和逆快速傅里葉變換(IFFT)。以下說(shuō)明將使用這些縮寫(xiě)。對(duì)反向散射曲線的分析允許得出有關(guān)復(fù)頻率數(shù)據(jù)特性的結(jié)論。
復(fù)接收的電信號(hào)有利地表示為數(shù)字形式的離散測(cè)量點(diǎn)，例如作為A/D轉(zhuǎn)換(模數(shù)轉(zhuǎn)換)的結(jié)果，并且例如存儲(chǔ)在適合的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)中(例如DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)的存儲(chǔ)器)。
在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)于測(cè)量周期的具體所接收電信號(hào)(例如斯托克斯信號(hào)或反斯托克斯信號(hào))的多于一個(gè)數(shù)據(jù)集被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。在一個(gè)實(shí)施例中，在執(zhí)行校正校準(zhǔn)之前，對(duì)來(lái)自具體信號(hào)的許多測(cè)量周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。
一般來(lái)說(shuō)，測(cè)量周期由確定溫度分布圖(或至少反向散射曲線)的所有步驟(測(cè)量頻率數(shù)據(jù)、校正頻率數(shù)據(jù)、計(jì)算反向散射曲線、計(jì)算反向散射曲線的比/關(guān)系式、計(jì)算溫度分布圖)組成。在一個(gè)實(shí)施例中，術(shù)語(yǔ)“測(cè)量周期”是指(激光器)光源調(diào)制頻率的一次掃頻。
術(shù)語(yǔ)“數(shù)據(jù)集”例如“頻率數(shù)據(jù)集”在本上下文中是指表示一個(gè)測(cè)量周期中給定信號(hào)的數(shù)據(jù)。“頻率數(shù)據(jù)集”可以例如定義為具有已定義頻率間隔(如8kHz)的從DC到最大調(diào)制頻率(例如100MHz)范圍內(nèi)的許多復(fù)頻率數(shù)據(jù)點(diǎn)。
通過(guò)迭代，反向散射曲線的逐漸精確的校正即可實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，迭代過(guò)程可包括以下步驟1.確定在fm＝0(DC值)時(shí)復(fù)接收的電信號(hào)幅值的增量改變，并確定復(fù)接收的電信號(hào)的整個(gè)相位特征(相角對(duì)調(diào)制頻率fm)相位偏移的增量改變；2.重新計(jì)算反向散射曲線；3.基于預(yù)定義準(zhǔn)則，決定是否從步驟1繼續(xù)或停止。在一個(gè)實(shí)施例中，校正由稱為“自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)”的自動(dòng)計(jì)算機(jī)控制的線性化過(guò)程執(zhí)行(參閱以下第5節(jié))。
上述校準(zhǔn)步驟確保由測(cè)量系統(tǒng)所確定的物理參數(shù)有改進(jìn)的精度。
給定校正校準(zhǔn)的結(jié)果有利地存儲(chǔ)在系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中，供(以后)用作同一類型(但有其它校正因子)或另一類型(例如“DC誤差校正”對(duì)“頻率校準(zhǔn)”)的另一校正校準(zhǔn)的基礎(chǔ)。
在一個(gè)實(shí)施例中，不同類型校正校準(zhǔn)的順序被優(yōu)化，以提供最佳結(jié)果(例如鑒于所測(cè)量的和理論上預(yù)期的或?qū)嶋H上驗(yàn)證的結(jié)果之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)估算)。
術(shù)語(yǔ)“FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)”在本上下文中是指調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)測(cè)量系統(tǒng)，它基于從一個(gè)或多個(gè)連續(xù)散射介質(zhì)或/和從一個(gè)或多個(gè)反射器反向散射的電磁信號(hào)(例如在微波、雷達(dá)或光頻率等)的頻率調(diào)制。
雷達(dá)FMCW系統(tǒng)例如可用于確定物體的距離和速度。電FMCW系統(tǒng)例如可用于監(jiān)控沿電纜的溫度空間分布，如參閱EP-1 548 416。
在FMCW測(cè)量系統(tǒng)中，確定沿傳感器介質(zhì)的物理值空間分布例如基于在頻域中系統(tǒng)響應(yīng)的IFFT。為了執(zhí)行IFFT，所需頻率范圍從DC(0Hz)到頻率上限。測(cè)量質(zhì)量很大程度上取決于最低頻率(DC)的精確度，最低頻率規(guī)定了IFFT之后所得到信號(hào)的基準(zhǔn)電平。FMCW測(cè)量裝置，例如在EP-0 692 705和EP-1 548 416中所述的，具有高于DC(0Hz)的下限頻率。
所以，本發(fā)明的校準(zhǔn)過(guò)程針對(duì)確定在DC(0Hz)時(shí)的正確測(cè)量值，并一般可應(yīng)用于FMCW測(cè)量系統(tǒng)。
在具體實(shí)施例中，F(xiàn)MCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)是光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)。
術(shù)語(yǔ)“光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)”在本上下文中是指光學(xué)調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)測(cè)量系統(tǒng)，它基于從一個(gè)或多個(gè)連續(xù)散射光學(xué)(典型為光纖)介質(zhì)或/和從一個(gè)或多個(gè)光學(xué)反射器(在光纖端、插頭、透鏡、鏡面等的菲涅耳反射)反向散射的光束(泵激光)的頻率調(diào)制。反向散射光包括與泵激光或/和由于非線性光學(xué)效應(yīng)在不同波長(zhǎng)的附加光相同的波長(zhǎng)。反向散射光的特征取決于連續(xù)散射介質(zhì)或/和反射器的物理(力、張力、壓力、溫度等)或/和化學(xué)(濕度、腐蝕、含硫等)或/和電磁(熒光、輻射等)參數(shù)。
術(shù)語(yǔ)“光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)”應(yīng)包含基于外差測(cè)量技術(shù)(光學(xué)或電學(xué))的系統(tǒng)。
通過(guò)在光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)中使用光學(xué)外差測(cè)量技術(shù)，泵激信號(hào)和反向散射信號(hào)的混合發(fā)生在例如邁克爾遜干涉儀的出口光徑中。這些種類的光學(xué)FMCW技術(shù)也稱為“OFDR技術(shù)”或“相干FMCW技術(shù)”(例如見(jiàn)U.Glombitza，E.Brinkmeyer，“CoherentFrequency Domain Reflectometry for Characterization of Single-ModeIntegrated-Optical Waveguides”，Journal of Lightwave Technology，Vol.11，No.8，August 1993)。
通過(guò)在光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)中使用電外差測(cè)量技術(shù)，泵激信號(hào)和反向散射信號(hào)的混合發(fā)生在電接收器模塊中。這些種類的電學(xué)FMCW技術(shù)也稱為“不相干OFDR技術(shù)”(例如見(jiàn)EmirKaramehmedovic，U.Glombitza，“Fibre-Optic Distributed TemperatureSensing Using Incoherent Optical Frequency Domain Reflectometry”，The International Society for Optical Engineering，Photonics West，2003)。
術(shù)語(yǔ)“OFDR”(光頻域反射測(cè)量技術(shù))和“光學(xué)FMCW反向散射”在本申請(qǐng)中可互換使用。
術(shù)語(yǔ)“在所述曲線的預(yù)定相關(guān)性中校正所述接收的電信號(hào)”在本上下文中是指根據(jù)在傳感器第二、遠(yuǎn)端以外的反向散射曲線的1.均值和/或2.斜率(梯度)，就可修改頻域中的3.DC值(fm＝0)的電平幅值和4.相位特征的相位偏移。
在一個(gè)實(shí)施例中，頻率調(diào)制包括混合兩個(gè)光學(xué)信號(hào)(稱為相干OFDR)。
在一個(gè)實(shí)施例中，激光器的頻率調(diào)制包括在不同頻率調(diào)制激光的強(qiáng)度。每個(gè)測(cè)量周期，激光器頻率都在0Hz和最大頻率典型為100MHz之間線性調(diào)頻。頻率范圍適于與光學(xué)FMCW裝置的空間分辨率相對(duì)應(yīng)。在不同的頻率步驟激光器輸出光的強(qiáng)度平均通常是恒定的。頻率測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量取決于光纖長(zhǎng)度，而頻率間隔取決于FMCW裝置的空間分辨率。
術(shù)語(yǔ)“校準(zhǔn)FMCW測(cè)量系統(tǒng)”(例如“光學(xué)FMCW測(cè)量系統(tǒng)”)在本上下文中是指這樣一個(gè)過(guò)程通過(guò)確定誤差來(lái)源和與標(biāo)準(zhǔn)的可能偏差并弄清對(duì)這種誤差和/或偏差的適當(dāng)校正來(lái)確保測(cè)量系統(tǒng)適于某一精度等級(jí)。
在一個(gè)實(shí)施例中，校準(zhǔn)是通過(guò)校正在頻域中所接收的(原始)數(shù)據(jù)(所接收的電下變換反向散射復(fù)信號(hào)對(duì)激光器調(diào)制頻率fm)來(lái)執(zhí)行的。
在一個(gè)實(shí)施例中，所接收的傳感器信號(hào)包括第一和第二可區(qū)別部分。術(shù)語(yǔ)“所接收信號(hào)包括第一和第二可區(qū)別部分”在本上下文中是指例如在轉(zhuǎn)換后，諸如光電轉(zhuǎn)換后，和/或例如在光或電信號(hào)的進(jìn)一步信號(hào)處理(例如涉及傅里葉變換)后，基于所接收的信號(hào)有可能識(shí)別傳感器(例如光學(xué)傳感器)特定部分所起的作用。如果例如一段長(zhǎng)度的光波導(dǎo)用作傳感器，則該術(shù)語(yǔ)應(yīng)理解為有可能推導(dǎo)出由該段長(zhǎng)度波導(dǎo)對(duì)信號(hào)所起的作用，以使基于該信號(hào)可以提取有關(guān)該長(zhǎng)度物理特性(例如溫度)的信息，且該長(zhǎng)度波導(dǎo)以外區(qū)域的信號(hào)特性可用于校正目的。
在一個(gè)實(shí)施例中，提供反向散射信號(hào)作為所述傳感器的所述第一和第二端之間以及所述第二端以外的位置函數(shù)的所接收電信號(hào)的變換是逆傅里葉變換。
在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器是光波導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器是光纖，例如石英玻璃光纖。備選的是，傳感器可以是電纜(例如同軸電纜)或任何其它空間分布的傳感器介質(zhì)。
在步驟F，所述預(yù)定準(zhǔn)則是指在所述傳感器的所述第二端以外的所述反向散射信號(hào)可以用斜率大致為0的直線來(lái)近似，確保了提供進(jìn)一步改進(jìn)的反向散射信號(hào)，從而改進(jìn)被提取的物理參數(shù)的精確度。更加有利的是，均值大致為0。數(shù)據(jù)表示法優(yōu)選為“樣本數(shù)”(在線性數(shù)據(jù)表示法中)。
術(shù)語(yǔ)“大致為0”在本上下文中的意思是在反向散射數(shù)據(jù)的線性表示法中光纖端以外噪聲的均值和梯度/斜率與0的容差/偏差如此微小，以致在具有所定義溫度的傳感器光纖區(qū)域中以對(duì)數(shù)表示的反向散射曲線是線性的，且沿傳感器光纖的衰減是恒定的，并符合光纖衰減的理論值。這樣確定的與0的可接受偏差/容差值就是迭代方法的收斂準(zhǔn)則。它們可應(yīng)用于任何其它傳感器光纖。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述斜率小于特定收斂值。在一個(gè)實(shí)施例中，所述斜率大致為0，例如小于0.5樣本，例如小于0.05樣本，例如小于0.005樣本。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述預(yù)定準(zhǔn)則包括以下準(zhǔn)則在所述第二端以外的部分或全部所述反向散射信號(hào)的樣本均值小于特定收斂值，例如大致為0，例如小于0.5樣本，例如小于0.05樣本。
在一個(gè)實(shí)施例中，術(shù)語(yǔ)“均值大致為0”的意思是對(duì)于在步驟D中fm＝0時(shí)所接收電信號(hào)幅值的給定增量改變，表示噪聲電平的傳感器第二端以外的反向散射信號(hào)的均值當(dāng)在步驟E中重新計(jì)算時(shí)改變符號(hào)。
在一個(gè)實(shí)施例中，在步驟D，所述校正所述接收的電信號(hào)的所述幅值包括子步驟D1用調(diào)制頻率fm等于0時(shí)的初始校正量ΔH0(0)校正幅值數(shù)據(jù)。
在一個(gè)實(shí)施例中，在步驟D1，將所述初始校正量ΔH0(0)設(shè)為預(yù)定值，例如一個(gè)估計(jì)值。
在一個(gè)實(shí)施例中，在步驟D1，所述初始校正量ΔH0(0)由反向散射曲線中噪聲的均值與0的偏差量來(lái)確定。
在一個(gè)實(shí)施例中，在步驟D，所述校正所述接收的電信號(hào)的所述相角部分包括子步驟D2在fm＝0左右，確定作為所述調(diào)制頻率fm函數(shù)的所接收電信號(hào)的相角的初始偏移值Δ0(0)；并隨后用所述偏移值校正表示作為調(diào)制頻率fm函數(shù)的所接收電信號(hào)所述相角的數(shù)據(jù)。
在一個(gè)實(shí)施例中，在步驟D2，將所述初始偏移值Δ0(0)設(shè)為預(yù)定值。
在一個(gè)實(shí)施例中，在步驟D2，所述初始偏移值Δ0(0)通過(guò)線性外推fm-＞0Hz的相角數(shù)據(jù)來(lái)確定。
迭代線性化過(guò)程(以下稱為“自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)”并在以下第5節(jié)中詳述)的結(jié)果是用于如下項(xiàng)的校正因子a)步驟D1的DC值校正過(guò)程，以及b)步驟D2的相位偏移校正過(guò)程。
這樣，兩個(gè)過(guò)程(D1和D2)受物理限制的精度都得到顯著改進(jìn)。一些殘余誤差(剩余誤差)，它們是對(duì)包含光纖的專用系統(tǒng)特定的，通過(guò)使用在DC值校正和相位偏移校正過(guò)程中的“自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)”的結(jié)果來(lái)消除。DC值校正和相位偏移校正過(guò)程在每個(gè)測(cè)量周期都必須執(zhí)行，與此相反，對(duì)于包含光纖的專用測(cè)量系統(tǒng)，“自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)”僅需進(jìn)行一次。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述校準(zhǔn)過(guò)程的步驟A、B、C、D和可選的E在每個(gè)測(cè)量周期都要執(zhí)行。
在一個(gè)實(shí)施例中，“自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)”在一些、大多數(shù)、或在全部測(cè)量周期中被執(zhí)行。
在一個(gè)實(shí)施例中，步驟D還包括子步驟D3，即確定剩余校正因子ΔHres(0)，以及子步驟D4，即確定剩余偏移值Δres(0)，這兩個(gè)子步驟都基于在分別用子步驟D1的所述初始校正量ΔH0(0)和子步驟D2的所述初始偏移值Δ0(0)校正后從分別表示作為所述調(diào)制頻率fm函數(shù)的所述幅值部分和所述相角部分的數(shù)據(jù)中計(jì)算的反向散射數(shù)據(jù)，其中在子步驟D3，所述剩余校正因子ΔHres(0)的值基于在所述傳感器的所述第二端以外的所述反向散射信號(hào)平均電平的均值，且在子步驟D4，所述剩余偏移值Δres(0)的值基于在所述傳感器的所述第二端以外的所述反向散射信號(hào)的斜率值。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述校正步驟D3和D4基于平均反向散射曲線，例如多于5次測(cè)量，例如多于10次測(cè)量，例如多于20次測(cè)量。
術(shù)語(yǔ)“平均反向散射曲線”在本上下文中的意思例如是在空間領(lǐng)域下每個(gè)點(diǎn)的許多反向散射曲線的(線性)平均。
在一個(gè)實(shí)施例中，該方法還包括步驟A1，即在fm＝0左右，確定作為所述調(diào)制頻率fm函數(shù)的所接收電信號(hào)的相角的偏移值；以及步驟A2，即基于所述偏移值對(duì)所述相角數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。由此確保所測(cè)量的物理參數(shù)分布圖的精確度可得到進(jìn)一步的改進(jìn)。
在步驟A1，所述偏移值通過(guò)線性外推fm-＞0Hz的相角數(shù)據(jù)來(lái)確定，確保了可提供易于實(shí)現(xiàn)和自動(dòng)化的過(guò)程。通過(guò)從所有相角對(duì)頻率數(shù)據(jù)中減去線性外推量Δ(fm＝0)(由此將fm＝0的相角值設(shè)為0°)并重新計(jì)算反向散射數(shù)據(jù)和物理參數(shù)分布圖，就提供了物理參數(shù)數(shù)據(jù)的改進(jìn)精確度。
在一個(gè)實(shí)施例中，在校準(zhǔn)過(guò)程中相位校正在DC校正之前執(zhí)行，即使得步驟A1和A2在步驟B之前執(zhí)行。這具有改進(jìn)組合校正質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)。
在一個(gè)實(shí)施例中，補(bǔ)償測(cè)量通道之間的串?dāng)_(參閱以下第8節(jié))在DC和相位偏移校正過(guò)程之前執(zhí)行。在執(zhí)行“自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)”之后，過(guò)程的順序是任意的。
在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器以及測(cè)量系統(tǒng)的激勵(lì)和估算部分一起校準(zhǔn)。這樣做具有的優(yōu)點(diǎn)是，提供的校準(zhǔn)考慮了源自具體傳感器特征(以及源自激勵(lì)和估算部分與一般測(cè)量方法(例如數(shù)學(xué)變換)的那些特征)對(duì)校正所接收頻率數(shù)據(jù)的作用。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，校準(zhǔn)是使用具有眾所周知特征的標(biāo)準(zhǔn)化傳感器如標(biāo)準(zhǔn)化光學(xué)傳感器來(lái)執(zhí)行的。
如果傳感器的特征諸如傳感器的光學(xué)特征改變則執(zhí)行所述校準(zhǔn)時(shí)，要確保傳感器的特征諸如其長(zhǎng)度、衰減、化學(xué)成分(以及從而散射特性)等都包含在校準(zhǔn)中。
在一個(gè)實(shí)施例中，如果系統(tǒng)的其它特征已改變或懷疑其已改變，就執(zhí)行所述校準(zhǔn)。
在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)表示反斯托克斯信號(hào)以及對(duì)斯托克斯信號(hào)執(zhí)行所述校準(zhǔn)方法。
在一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)量系統(tǒng)是喇曼反向散射測(cè)量系統(tǒng)，其適于測(cè)量空間分布的溫度分布圖。
在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)傳感器沿其長(zhǎng)度的空間分布測(cè)量點(diǎn)所提取的物理參數(shù)用來(lái)計(jì)算傳感器沿其長(zhǎng)度的溫度分布圖。備選的是，其它參數(shù)例如濕度、腐蝕、含硫、壓力、力、輻射等等都可被計(jì)算。
在一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)量基于喇曼反向散射。備選的是，測(cè)量可基于瑞利反向散射。
在一個(gè)實(shí)施例中，所接收傳感器信號(hào)包括斯托克斯喇曼反向散射信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，所接收傳感器信號(hào)包括反斯托克斯喇曼反向散射信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，溫度分布圖的計(jì)算是基于斯托克斯和反斯托克斯喇曼反向散射信號(hào)。
由測(cè)量系統(tǒng)得到的分布圖由此可被絕對(duì)校準(zhǔn)(對(duì)于包含傳感器的具體測(cè)量系統(tǒng))，并且系統(tǒng)可能的測(cè)量缺陷(包含DC誤差)可例如用軟件過(guò)程在頻率數(shù)據(jù)中校正。
在一個(gè)實(shí)施例中，該方法另外還包括串?dāng)_校正過(guò)程(參閱以下第8節(jié))，包括如下步驟G1.在系統(tǒng)制造期間，用特定測(cè)量過(guò)程確定和存儲(chǔ)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量通道之間的串?dāng)_，以及G2.在正常工作的每個(gè)測(cè)量周期中，從所測(cè)量的復(fù)頻率數(shù)據(jù)中減去所存儲(chǔ)的串?dāng)_數(shù)據(jù)。
在一個(gè)實(shí)施例中，步驟G1和G2在其它校正校準(zhǔn)步驟之前進(jìn)行。
在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器包括可串聯(lián)到測(cè)量部分的參考部分。在一個(gè)實(shí)施例中，參考部分是適當(dāng)特征化的光纖，有適當(dāng)定義的長(zhǎng)度，可選擇地存儲(chǔ)在適當(dāng)定義的溫度下。
在一個(gè)實(shí)施例中，該方法另外還包括考慮頻域和空間域之間理論卷積的步驟，其中在步驟H1，從數(shù)學(xué)模型確定預(yù)期的復(fù)頻率曲線，并確定由FMCW反向散射系統(tǒng)的所測(cè)量數(shù)據(jù)SRM與所計(jì)算復(fù)頻率函數(shù)SR的復(fù)比率所構(gòu)成的復(fù)頻率誤差函數(shù)，并將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，以及在步驟H2，在下一測(cè)量周期開(kāi)始時(shí)，用復(fù)頻率誤差函數(shù)校正所測(cè)量的頻率數(shù)據(jù)SRM。
在一個(gè)實(shí)施例中，步驟G1和G2在其它校正校準(zhǔn)步驟之后進(jìn)行，優(yōu)選作為最后的校正校準(zhǔn)步驟。
本發(fā)明還討論了FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)，諸如光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)，它包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可讀程序代碼，用于執(zhí)行上述校準(zhǔn)方法，如在“具體實(shí)施方式
”部分中和在權(quán)利要求書(shū)中所述的。
術(shù)語(yǔ)“計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)”在本上下文中是指用于存儲(chǔ)程序代碼的任何適合的部件，包含軟盤(pán)、CD-ROM、閃存、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、RAM等等。在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)是PC、微處理器(如DSP)的一部分或與其集成。
本發(fā)明還討論了計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可讀程序，該程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)可執(zhí)行上述校準(zhǔn)方法，如在“具體實(shí)施方式
”部分中和在權(quán)利要求書(shū)中所述的。
術(shù)語(yǔ)“計(jì)算機(jī)”在本上下文中是指用于執(zhí)行程序代碼的任何適合的處理單元，包含PC、微處理器、DSP等。
本發(fā)明的其它目的是通過(guò)在從屬權(quán)利要求中以及在本發(fā)明詳細(xì)說(shuō)明中所定義的實(shí)施例來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
應(yīng)強(qiáng)調(diào)，術(shù)語(yǔ)“包括”在本說(shuō)明書(shū)中使用時(shí)應(yīng)理解為表示存在所述特性、整數(shù)、步驟或組件，但不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其它所述特性、整數(shù)、步驟、組件或它們的群組。
以下結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例并參閱附圖對(duì)本發(fā)明作更充分解釋，其中圖1為光學(xué)FMCW測(cè)量系統(tǒng)的示意圖，它包括激勵(lì)和估算單元以及光學(xué)傳感器；圖2示出來(lái)自喇曼反向散射系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，用于測(cè)量分布的溫度分布圖，圖2a(左)示出在頻域中反斯托克斯和斯托克斯光的復(fù)接收(已轉(zhuǎn)換電)信號(hào)的幅值，圖2a(右)示出其相位，圖2b示出在空間領(lǐng)域下的傅里葉變換信號(hào)(對(duì)應(yīng)的反向散射曲線)，以及圖2c為導(dǎo)出的分布溫度曲線；
圖3示出DC誤差對(duì)喇曼反向散射溫度測(cè)量系統(tǒng)的斯托克斯和反斯托克斯信號(hào)的影響，圖3a和3b分別示出斯托克斯和反斯托克斯通道，(左圖)有DC誤差和(右圖)沒(méi)有DC誤差；圖4示出喇曼反向散射溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，(圖4a)有因組件容差和退化引起的相位誤差，(圖4b)沒(méi)有；圖5示出喇曼反向散射溫度測(cè)量系統(tǒng)所接收(已轉(zhuǎn)換電)信號(hào)的相位函數(shù)，圖5a示出從0到260kHz的頻率范圍，圖5b和5c分別為在從0到30kHz的頻率范圍內(nèi)有和沒(méi)有偏移誤差的曲線詳圖；圖6示出長(zhǎng)度為100米的波導(dǎo)傳感器的喇曼反斯托克斯光的測(cè)量，圖6a示出反向散射曲線(對(duì)數(shù)刻度)，圖6b示出對(duì)應(yīng)的傅里葉變換頻率信號(hào)(復(fù)測(cè)量信號(hào)的幅值函數(shù))；圖7示出波導(dǎo)長(zhǎng)度為5000米的傳感器的喇曼反斯托克斯光的測(cè)量，圖7a示出作為光纖中位置函數(shù)的反向散射曲線(對(duì)數(shù)刻度)，圖7b為作為頻率函數(shù)的幅值函數(shù)；圖8示出在以調(diào)制頻率f2＝10kHz為例的參考信號(hào)；圖9示出示范校準(zhǔn)過(guò)程，包括按照本發(fā)明的過(guò)程步驟；圖10示出測(cè)量通道之間的串?dāng)_對(duì)所得到的反向散射曲線的影響(所有曲線在垂直“Y軸”上為對(duì)數(shù)刻度)，圖10a示出在不同通道(反斯托克斯和斯托克斯)中包含有串?dāng)_的測(cè)量信號(hào)，圖10b示出的實(shí)例僅有不同測(cè)量通道的串?dāng)_，圖10c示出作為頻率函數(shù)的測(cè)量信號(hào)，沒(méi)有電串?dāng)_，圖10d示出有串?dāng)_誤差的光纖的反向散射曲線，以及圖10e示出沒(méi)有串?dāng)_誤差的光纖的反向散射曲線；圖11示出有和沒(méi)有DC誤差的固定長(zhǎng)度光波導(dǎo)傳感器的反向散射曲線，圖11a和11b示出沒(méi)有DC誤差的長(zhǎng)度為5273米的光纖的反向散射曲線，垂直“Y軸”分別為對(duì)數(shù)刻度和線性刻度，圖11c示出有DC誤差的長(zhǎng)度為5273米的光纖的反向散射曲線(“Y軸”為對(duì)數(shù)刻度)，圖11d示出有相位偏移誤差的長(zhǎng)度為4415米的光纖的反向散射曲線(垂直“Y軸”為線性刻度)，圖11e示出沒(méi)有相位偏移誤差的圖11d光纖的反向散射曲線(“Y軸”為線性刻度)；圖12a示出沒(méi)有頻率校準(zhǔn)的作為光纖長(zhǎng)度函數(shù)的溫度分布圖，圖12a示出有頻率校準(zhǔn)的作為光纖長(zhǎng)度函數(shù)的溫度分布圖；圖13a示出作為頻率函數(shù)的反斯托克斯信號(hào)的復(fù)計(jì)算幅值函數(shù)，圖13b示出作為頻率函數(shù)的反斯托克斯信號(hào)的復(fù)測(cè)量幅值函數(shù)，圖13c示出作為頻率函數(shù)的反斯托克斯信號(hào)的復(fù)頻率誤差函數(shù)；以及圖14a示出反斯托克斯與斯托克斯反向散射曲線的所計(jì)算關(guān)系，圖14b示出反斯托克斯與斯托克斯反向散射曲線的所計(jì)算關(guān)系，以及圖14c示出反斯托克斯與斯托克斯反向散射曲線的關(guān)系誤差函數(shù)。
這些圖都是示意性的并出于清晰起見(jiàn)已簡(jiǎn)化了，并且它們只是示出為理解本發(fā)明的基本細(xì)節(jié)，而其它細(xì)節(jié)省略了。
具體實(shí)施例方式
1.光學(xué)反向散射測(cè)量系統(tǒng)圖1示出光學(xué)FMCW測(cè)量系統(tǒng)的示意圖，它包括激勵(lì)和估算單元以及光學(xué)傳感器。
在圖1a中，包括激勵(lì)和估算單元11的光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)10示為與光學(xué)傳感器13光學(xué)交互(如箭頭12所示)。在圖1b中，測(cè)量系統(tǒng)10的激勵(lì)和估算單元11示為包括光源111，例如激光器如半導(dǎo)體激光器(例如980nm帶尾纖半導(dǎo)體激光器，如通常用于光學(xué)電信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的光纖放大器)，它激勵(lì)調(diào)頻光信號(hào)121進(jìn)入光學(xué)傳感器13(例如長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖，如石英光纖)的第一端134，該傳感器具有第二端132，位于相對(duì)光源111的遠(yuǎn)端。來(lái)自光源111的光信號(hào)121可選地被修改(例如濾光和/或聚焦)，之后進(jìn)入光學(xué)傳感器13(如在接收單元112中由虛線箭頭所示)。負(fù)責(zé)修改的光學(xué)組件(如濾光器、分光器、透鏡等)可完全或部分形成接收單元112的一部分，或完全或部分位于其它地方(例如作為一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)單元或形成傳感器13的一部分)。來(lái)自光學(xué)傳感器13的反向散射光信號(hào)122示為由接收單元112接收，并且信號(hào)113從接收單元112被轉(zhuǎn)發(fā)到處理和估算單元114。(反向散射的)所接收光信號(hào)122包括基于從中可提取沿傳感器13的空間分布測(cè)量點(diǎn)131的物理參數(shù)的調(diào)頻光信號(hào)121的數(shù)據(jù)信號(hào)。測(cè)量點(diǎn)131分布在光學(xué)傳感器13的長(zhǎng)度L上。
圖1c示出示范光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)10，其形式為基于喇曼反向散射的光學(xué)溫度測(cè)量系統(tǒng)。應(yīng)指出，校準(zhǔn)方法也完全可用于瑞利散射(例如用于濕度或力的測(cè)量(如在EP-692705中所述的))或提供適當(dāng)大小反向散射信號(hào)的其它形式散射)。
圖1c的溫度測(cè)量系統(tǒng)10包括激勵(lì)和估算單元11，單元11包括光源模塊111(包括頻率發(fā)生器1113、激光器1111以及激光器驅(qū)動(dòng)器1112)、光學(xué)接收器112(包括濾光器和光電檢測(cè)器，如用眾所周知的符號(hào)所示的)、電接收器和估算單元114(包括互阻抗轉(zhuǎn)換器、混頻器1141、放大器、帶通濾波器、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理單元1142)以及形式為光纖的溫度傳感器13(可能包含輸入/輸出耦合器組件用于將光信號(hào)12耦合入/出光纖)?？赡艿臒嵩?35也示于傳感器中。測(cè)量單元11內(nèi)部有附加長(zhǎng)度的光纖用作溫度計(jì)算的參考。這個(gè)光學(xué)參考光纖出于實(shí)用原因被纏繞在位于光學(xué)模塊112和傳感器13之間的光纖卷軸上。光學(xué)開(kāi)關(guān)例如可用來(lái)從兩端(134和132)測(cè)量光纖13，以獲得光纖衰減校正。附加選項(xiàng)是使用光學(xué)開(kāi)關(guān)來(lái)用同一測(cè)量單元(激勵(lì)和估算部分11)測(cè)量幾條光纖。必須將光依次發(fā)射入多個(gè)傳感器中每個(gè)傳感器的第一端134。光學(xué)開(kāi)關(guān)可位于參考卷軸和傳感器13之間。這些可選的附加光學(xué)組件(參考卷軸和光學(xué)開(kāi)關(guān))在圖1中未示出。圖1的系統(tǒng)還包括處理單元115和用戶接口116。各種功能塊之間的合作如箭頭所示。
系統(tǒng)包括在圖1c所示實(shí)施例中的三個(gè)通道，即除了兩個(gè)測(cè)量通道(反斯托克斯和斯托克斯)外，還有一個(gè)附加參考通道。激光器的輸出被正弦信號(hào)調(diào)幅，在測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)利用HF調(diào)制器從開(kāi)始頻率(例如0Hz)到終止頻率(例如100MHz)對(duì)正弦信號(hào)的頻率(圖1c中為f0，其它地方稱為fm)進(jìn)行掃描。所得到的調(diào)頻激光121經(jīng)由光學(xué)模塊112耦合到光波導(dǎo)13的第一端134。沿光纖13長(zhǎng)度從每個(gè)部分(參考圖1b中的點(diǎn)131)連續(xù)反向散射的光(包含喇曼光)122在光學(xué)模塊中被光譜濾波，并經(jīng)由光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。來(lái)自光源模塊111的一部分光在光纖的第二端132(遠(yuǎn)端)被反射，一部分133被透射。所接收的(測(cè)量)信號(hào)113被放大，并混合到低頻譜范圍中(LF范圍)，提供作為激光器調(diào)制頻率fm函數(shù)的所接收(反向散射)電信號(hào)。平均LF信號(hào)的逆傅里葉變換得出兩條喇曼反向散射曲線(反斯托克斯和斯托克斯)。這些反向散射曲線的幅度與沿光纖長(zhǎng)度的喇曼散射強(qiáng)度成比例。沿傳感器電纜的光纖溫度是兩個(gè)測(cè)量通道的信號(hào)幅度關(guān)系(比率)的結(jié)果。這種系統(tǒng)以及其用于測(cè)量分布的溫度或濕度或力分布圖在EP-0692 705中作了說(shuō)明并有市售，其形式為DTS系統(tǒng)(DTS＝分布溫度傳感)，諸如德國(guó)科隆LIOS Technology GmbH的控制器OTS 40P。
2.“頻率數(shù)據(jù)”-＞“反向散射數(shù)據(jù)”-＞“溫度分布圖”2.1測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化反向散射曲線sR(z)的計(jì)算是基于所測(cè)量的復(fù)頻率曲線(包括實(shí)部和虛部，例如分別表示復(fù)數(shù)據(jù)的幅值和相位)的逆傅里葉變換，參考公式(1)。為了執(zhí)行變換，(復(fù))數(shù)據(jù)必須作為激光器調(diào)制頻率fm(分別為標(biāo)準(zhǔn)化位置頻率變量v=2·fvgr]]>)的函數(shù)從開(kāi)始頻率(如0Hz)到終止頻率(如100MHz)進(jìn)行測(cè)量。
在0Hz的測(cè)量值(稱為DC值)提出了問(wèn)題。這個(gè)值是兩個(gè)作用的重疊，一個(gè)源自激光器輸出功率的平均值(未加任何調(diào)制)，另一個(gè)來(lái)自從光纖反向散射的喇曼光信號(hào)的平均值，即一個(gè)作用與傳感器無(wú)關(guān)，而另一個(gè)與傳感器有關(guān)。
圖2示出來(lái)自喇曼反向散射系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，用于測(cè)量分布的溫度分布圖，圖2a(左)示出在頻域中反斯托克斯和斯托克斯光的復(fù)接收(下變換電)信號(hào)的幅值，圖2a(右)示出其相位，圖2b示出在空間領(lǐng)域下的傅里葉變換信號(hào)(對(duì)應(yīng)的反向散射曲線)，以及圖2c為導(dǎo)出的分布溫度曲線。
圖2a(左)示出復(fù)接收頻率數(shù)據(jù)信號(hào)21的幅值(單位為dB)，表示反向散射的反斯托克斯212和斯托克斯211信號(hào)作為從0到8MHz調(diào)制頻率fm的函數(shù)。
復(fù)頻率數(shù)據(jù)的幅值計(jì)算如下。復(fù)數(shù)Z＝a+jb的幅值是復(fù)函數(shù)Z的實(shí)部(a)的平方和虛部(b)的平方之和的方根Z=a+jb=|r|·exp(-jba)]]>|r|=a2+b2]]>相位是復(fù)數(shù)Z的虛部(b)和實(shí)部(a)之間的角度關(guān)系。
圖2a(右)示出復(fù)接收頻率數(shù)據(jù)信號(hào)221的對(duì)應(yīng)相位22，表示反向散射的反斯托克斯和斯托克斯信號(hào)(在所示繪圖中這兩個(gè)信號(hào)不能區(qū)別開(kāi))作為從0到8MHz調(diào)制頻率fm的函數(shù)。
圖2b示出從圖2a和2b的復(fù)接收信號(hào)中導(dǎo)出的反向散射曲線23(斯托克斯232和反斯托克斯231)，圖2c示出所得到的溫度分布圖T(z)24(單位為℃的溫度T對(duì)從0到4500米的光纖長(zhǎng)度坐標(biāo))。
2.2數(shù)學(xué)框架喇曼反向散射信號(hào)與時(shí)間(t)的相關(guān)強(qiáng)度dPR(t)可表示如下dPR(t)=ζR·ρR·e-2(αP(z)+αR(z))·PP(t-2z/vgr)dz]]>式中R可分別表示斯托克斯或反斯托克斯的特定參數(shù)，ζR考慮各種損耗(濾波器、耦合器等)，ρR為喇曼反向散射因子，αp是在波長(zhǎng)λp時(shí)(λp為激光器泵激光)光波導(dǎo)中的衰減系數(shù)，αR是在不同喇曼光波長(zhǎng)(斯托克斯和反斯托克斯)時(shí)的衰減系數(shù)，PP是激光源的光功率，z是沿所考慮光波導(dǎo)的長(zhǎng)度L的空間坐標(biāo)，vgr是光的群速。
通過(guò)沿光纖長(zhǎng)度L積分，獲得各個(gè)相應(yīng)喇曼通道的總散射功率。
將激光器的正弦強(qiáng)度調(diào)制包含在內(nèi)，由激勵(lì)和估算單元接收的信號(hào)就可表示為
PR(t)=ζR·P^∫0LρR·e-2(αP(z)+αR(z))(1+m·cos(2π·f(t-2z/vgr)))dz]]>式中 是激光的DC幅度，m是激光器的調(diào)制深度(參閱如圖8)，且f是調(diào)制信號(hào)的頻率(在本申請(qǐng)中其它地方稱為fm)。激光器的光輸出(泵激光)PP用下式表示PP(t)=P^(1+m·cos(2π·f·t))]]>將各個(gè)相應(yīng)喇曼通道的散射功率展開(kāi)為逆傅里葉積分 其中PRO=ζR·P^·∫0LρR·e-2·αPR(z)dz=ζR·P^·∫0LρR·e-2(αP(z)+αR(z))dz]]>pR(f)=ζR·P^·m·∫0LρR(z)·e-2·αPR(z)·e-j2π·(2·f/vgr)zdz]]>式中PRO是對(duì)應(yīng)于激光器工作點(diǎn)(m＝0)的DC值，pR(f)是作為激光器調(diào)制函數(shù)的喇曼光的復(fù)測(cè)量信號(hào)， 表示復(fù)數(shù)或復(fù)函數(shù)的實(shí)部。等號(hào)上面的“！”是該公式作為傅里葉積分的特殊表示。請(qǐng)注意，附加的DC部分來(lái)自于f＝0(Re[pR(0)]≠0)時(shí)復(fù)數(shù)的實(shí)部。
如果將v=2·fvgr]]>作為標(biāo)準(zhǔn)化位置頻率變量引入，則得到以下標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)器信號(hào)SRSR(v)=∫0LρR(z)·e-2·αPR(z)·e-j2π·v·zdz]]>其中SR(v)=pR(v)ζR·P^·m]]>通過(guò)逆傅里葉變換，得出sR(z)=∫-∞+∞SR(v)·ej2π·v·zdv=ρR(z)·e-2·αPR·z]]>公式(1)表示作為位置函數(shù)的喇曼反向散射曲線的理論計(jì)算(如參閱圖2b)。喇曼反向散射曲線說(shuō)明反向散射光強(qiáng)度沿光纖的傳播。
3.DC誤差校正為了作逆傅里葉變換，我們僅需要 的DC值。
這可以使用特殊測(cè)量過(guò)程來(lái)確定，參考下文。DC值由兩部分組成一部分與激光器的CW信號(hào)的平均值有關(guān)(這部分可直接測(cè)量)，一部分源自測(cè)量通道中的反向散射光(這部分不能直接測(cè)量)。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法可配置成對(duì)源自于組件(例如激光器二極管)老化或電子組件上容差的效應(yīng)作充分補(bǔ)償。這可以這樣實(shí)現(xiàn)使用不同的獨(dú)立測(cè)量來(lái)找出以正確形式計(jì)算DC值的參數(shù)。
由于計(jì)算方法的有限數(shù)字精確度，存在有裝置特定的剩余誤差。這種誤差可對(duì)分布溫度分布圖而且也對(duì)溫度校準(zhǔn)有重大影響。
圖3示出DC誤差對(duì)喇曼反向散射溫度測(cè)量系統(tǒng)的斯托克斯和反斯托克斯信號(hào)的影響，圖3a和3b分別示出具有DC誤差(左圖31、33)和沒(méi)有DC誤差(右圖32、34)的斯托克斯31、32和反斯托克斯通道33、34。
可以看出，與未校正的曲線(左)相比，校正了DC誤差的反向散射曲線(右)顯示出改進(jìn)的線性。
喇曼測(cè)量檢測(cè)器信號(hào)的正確DC值可以通過(guò)使用不同的獨(dú)立測(cè)量以找出用于計(jì)算該DC值的參數(shù)來(lái)獲得。
頻域中的FMCW形式體系允許測(cè)量沿光纖的喇曼反向散射光的相位延遲項(xiàng)。在空間域(IFFT之后)，對(duì)應(yīng)的信號(hào)是喇曼光的群速項(xiàng)。由于激光源的調(diào)制特性(在固定工作點(diǎn)由不同頻率的強(qiáng)度調(diào)制)，fm＝0Hz(DC值)時(shí)的復(fù)檢測(cè)器信號(hào)含有一個(gè)與喇曼反向散射光的相位延遲項(xiàng)無(wú)關(guān)的附加項(xiàng)。這個(gè)項(xiàng)是IFFT不需要的，且產(chǎn)生上述DC誤差。該DC誤差具有很強(qiáng)的影響，并在反向散射曲線中產(chǎn)生干擾，而且也因溫度曲線的計(jì)算。
任務(wù)就是要確定在不同頻率上述公式的未知參數(shù)。未知參數(shù)是由激光器工作點(diǎn)引起的對(duì)DC值的作用(UDC1)以及由對(duì)低至零Hz的頻率調(diào)制引起的對(duì)DC值的作用(UDC2)。有不同的可能途徑。以下是一個(gè)實(shí)例 URaman～UDC1+UDC2U是模數(shù)轉(zhuǎn)換器之后的測(cè)量信號(hào)的電壓。電壓U和光電檢測(cè)器的電流(即與光學(xué)喇曼反向散射光的強(qiáng)度)成正比。
在參考通道中在激光源的任何調(diào)制頻率(f＝f2，例如3kHz)作第一次測(cè)量，我們可確定激光器的調(diào)制深度m(見(jiàn)圖8)。
圖8示出在頻率f2＝10kHz時(shí)的參考信號(hào)。數(shù)字信號(hào)允許我們計(jì)算DC值(通過(guò)將所除的采樣值加上數(shù)據(jù)樣本數(shù))和AC值。從這些值中就可導(dǎo)出調(diào)制深度m。
在f＝0的第二步驟，作其結(jié)果是URaman(f＝0)之和的DC測(cè)量。
在f＝f1(例如8kHz)作第三次測(cè)量，我們測(cè)量稱為UDC1的DC值。僅測(cè)量由激光器工作點(diǎn)引起的DC值(例如電子DC耦合)。
最后的步驟是用以下公式計(jì)算DC值(UDC2)UDC2＝(URaman(f＝0)-UDC1)以上公開(kāi)的校正DC值的方法其優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)較快，并且因而有可能在相當(dāng)短時(shí)長(zhǎng)的測(cè)量周期中進(jìn)行。
DC誤差影響的說(shuō)明(圖3)顯示誤差影響復(fù)頻率數(shù)據(jù)和反向散射數(shù)據(jù)，并在反向散射曲線的非線性中可觀察到(包含在光學(xué)傳感器波導(dǎo)的第二、遠(yuǎn)端以外的部分(如圖1中的134)，參閱圖11a、11b、11c。
為減少或去除上述這兩個(gè)剩余誤差，對(duì)斯托克斯和反斯托克斯數(shù)據(jù)分析對(duì)應(yīng)于光波導(dǎo)遠(yuǎn)端以外部分的反向散射數(shù)據(jù)中的噪聲進(jìn)程。
在理想情況下，使用沒(méi)有誤差的頻率數(shù)據(jù)會(huì)得出的反向散射曲線在表示波導(dǎo)遠(yuǎn)端以外區(qū)域的曲線部分中包括恒定的噪聲電平。在這個(gè)區(qū)域中的噪聲進(jìn)程理想上應(yīng)該是用斜率/梯度為0的直線來(lái)表示。
4.相位誤差校正以下這節(jié)說(shuō)明用于校正由于組件容差和組件非線性性質(zhì)引起的復(fù)接收頻率數(shù)據(jù)中的相位誤差的過(guò)程。
圖1c的測(cè)量系統(tǒng)有三個(gè)單獨(dú)的測(cè)量通道。各個(gè)通道中電子組件的不同容差和老化效應(yīng)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)信號(hào)的“感應(yīng)”相位差異，這導(dǎo)致非線性反向散射曲線，并再次影響要由系統(tǒng)確定的物理參數(shù)(在此情況下是溫度)的所得到的分布圖。
圖4示出喇曼反向散射溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，有(圖4a)和沒(méi)有(圖4b)由于組件容差和退化引起的相位誤差。
圖4a示出的實(shí)例在復(fù)頻率測(cè)量數(shù)據(jù)中有(大)相位誤差。由參考編號(hào)41表示的上圖示出作為頻率函數(shù)的兩個(gè)復(fù)測(cè)量信號(hào)411、412(分別表示作為測(cè)量點(diǎn)函數(shù)的反斯托克斯和斯托克斯)的幅值(單位為電壓，它與光電檢測(cè)器信號(hào)的強(qiáng)度成比例)。中間圖42示出傅里葉變換后的反向散射曲線421、422(分別表示反斯托克斯和斯托克斯)，即光功率[dB]對(duì)位置[m](即距激勵(lì)和估算單元的距離)的測(cè)量。在1450米左右的曲線中的彎曲423指示接近光纖端由于相位誤差引起的影響。相位誤差產(chǎn)生非線性性質(zhì)，在相對(duì)位置[m]數(shù)據(jù)的溫度[℃]曲線中也有干擾，如下圖43所示。在2000米左右的峰值431指示升高的溫度。
來(lái)自斯托克斯通道的相對(duì)頻率[kHz]的對(duì)應(yīng)相角[°]曲線作為實(shí)例示于圖5a，參考編號(hào)為51，放大視圖(圖5b)為曲線圖511。在曲線圖的開(kāi)始處，誤差的影響可以識(shí)別。相位不是線性增加，而是含有相位偏移(通過(guò)使曲線(例如從1到6kHz)向頻率軸線性外推即可識(shí)別)。該相位偏移是反向散射曲線中非線性干擾的原因。
圖4b示出在復(fù)頻率測(cè)量數(shù)據(jù)中沒(méi)有相位誤差的數(shù)據(jù)實(shí)例，對(duì)應(yīng)于圖4a中有相位誤差的數(shù)據(jù)。由參考編號(hào)44表示的上圖類似地示出作為頻率函數(shù)的兩個(gè)復(fù)測(cè)量信號(hào)441、442(分別表示作為測(cè)量點(diǎn)函數(shù)的反斯托克斯和斯托克斯)的幅值。中間圖45類似地示出傅里葉變換后的反向散射曲線451、452(分別表示反斯托克斯和斯托克斯)。觀察到，在光纖端附近1450米左右的曲線(參考編號(hào)453)的性質(zhì)顯然不同于圖4a的對(duì)應(yīng)曲線。相位誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)提供了線性性質(zhì)，也如下面的相對(duì)位置[m]的溫度[℃]曲線46所示的。在2000米左右的峰值461指示升高的溫度。圖5b示出作為頻率函數(shù)的復(fù)測(cè)量信號(hào)的對(duì)應(yīng)相位函數(shù)512的詳細(xì)視圖?？梢钥闯鱿嘟乔€包含點(diǎn)(0，0)。
圖5示出喇曼反向散射溫度測(cè)量系統(tǒng)的所接收(已變換電)信號(hào)的相位函數(shù)，圖5a示出從0到260kHz的頻率范圍，圖5b和5c是在從0到30kHz的頻率范圍內(nèi)分別為有和沒(méi)有偏移誤差的曲線詳圖。
偏移誤差的絕對(duì)相位值非常低(通常＜1°)。偏移值通過(guò)在低頻區(qū)中相位函數(shù)的線性近似(將曲線線性外推到其與頻率軸的交叉點(diǎn)，頻率-＞0Hz和以外)來(lái)確定。下一步是用(可能是)負(fù)偏移值作完全相位函數(shù)的相加估算。相位偏移誤差的確定及其校正可優(yōu)選是DSP(數(shù)字信號(hào)處理)軟件工具在線測(cè)量過(guò)程的一部分，如在自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程的說(shuō)明中所述的。
相角偏移校正的結(jié)果示于圖4b和4c。
5.自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程有利的是將傳感器結(jié)合在校準(zhǔn)過(guò)程中。光波導(dǎo)的反向散射特性影響復(fù)接收頻率數(shù)據(jù)的進(jìn)程，以使來(lái)自裝置(激勵(lì)和估算部分)的誤差值不是恒定的。而且，它們對(duì)溫度分布圖的影響也是不同的。當(dāng)傳感器的特性改變時(shí)(例如由于置換傳感器或由于連接到激勵(lì)和估算部分的傳感器的物理特性改變)，應(yīng)該重復(fù)激勵(lì)和估算部分的校準(zhǔn)。換句話說(shuō)，(至少)在傳感器由具有不同物理特性(包含長(zhǎng)度、化學(xué)成分、衰減等)的另一傳感器替代的情況下，應(yīng)執(zhí)行測(cè)量系統(tǒng)的重新校準(zhǔn)。
本校準(zhǔn)過(guò)程包括可自動(dòng)的、例如受計(jì)算機(jī)控制的方法，它基于噪聲線性的概念去除復(fù)接收頻率數(shù)據(jù)的相位中的剩余誤差以及反向散射數(shù)據(jù)中的DC誤差。
基于反向散射曲線的線性數(shù)據(jù)表示中光纖端后的噪聲信號(hào)的預(yù)期值(均值等于0且梯度/斜率等于0)，用于DC值校正過(guò)程(校正第一頻率點(diǎn)的幅值)以及用于相位偏移校正過(guò)程(消除頻率數(shù)據(jù)整個(gè)相位特征中的相位偏移)的校正因子例如是用如以下途徑所述來(lái)確定。
在第一步，使用在線過(guò)程“DC值校正”和“相位偏移校正”執(zhí)行較大量的測(cè)量(例如20次)，不消除所發(fā)現(xiàn)的剩余誤差。將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在“未校正頻率數(shù)據(jù)陣列”中。
在第二步，將用于以上命名的在線過(guò)程的“剩余誤差校正因子”，其在第一迭代步驟被初始化為中性值，應(yīng)用于“未校正頻率數(shù)據(jù)陣列”，得出“已校正頻率數(shù)據(jù)陣列”。
在第三步，將IFFT應(yīng)用于每個(gè)頻率數(shù)據(jù)集，得出“反向散射曲線的已校正陣列”，它們被平均以減少特別是在光纖端以外區(qū)域中的噪聲幅值。噪聲的幅值例如應(yīng)低于20個(gè)樣本。
在第四步，分析在光纖端以外區(qū)域中的噪聲特征。有兩個(gè)獨(dú)立的準(zhǔn)則來(lái)修改“剩余誤差校正因子”。
1.如果在平均的反向散射數(shù)據(jù)的線性表示中光纖端以外噪聲的均值是正，則用于DC值校正過(guò)程的剩余誤差校正因子必須被減小，如果是負(fù)，則增加。
2.如果在平均的反向散射數(shù)據(jù)的線性數(shù)據(jù)表示中光纖端以外噪聲的梯度(斜率)是正，則用于相位偏移校正過(guò)程的剩余誤差校正因子必須被減小，如果是負(fù)，則增加。
對(duì)斯托克斯和反斯托克斯信號(hào)重復(fù)步驟2到4，直到光纖端以外噪聲的均值和梯度的與0的可接受偏差值(例如迭代方法的收斂準(zhǔn)則均值＜0.05樣本；梯度＜0.005樣本)滿足為止。在最后一步，將剩余誤差校正因子存儲(chǔ)到專用系統(tǒng)(包含光纖)中。在線過(guò)程“DC值校正”和“相位偏移校正”在進(jìn)一步操作中必須使用這些系統(tǒng)特定的因子。
所述迭代方法“自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)”適合于較大量測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化生產(chǎn)，并適合用在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量進(jìn)行試車(chē)和維護(hù)，也消除了老化效應(yīng)。它消除了DC誤差(見(jiàn)圖11a、12b和12c)和相位偏移誤差(見(jiàn)圖12d和12e)對(duì)反向散射曲線線性的影響。
圖11a示出長(zhǎng)度為5273米的傳感器的喇曼光反向散射曲線，沒(méi)有DC誤差。駐留在光纖端的喇曼光逸出，并且不能用測(cè)量裝置檢測(cè)。光纖端后的信號(hào)具有隨機(jī)噪聲性質(zhì)，對(duì)應(yīng)于光電檢測(cè)器的噪聲特性。隨機(jī)噪聲性質(zhì)提供的信號(hào)其幅值在零左右波動(dòng)，在光纖端以外的所有光纖位置其均值都為零，其包含梯度(斜率)也是零。圖11b示出與以前相同的反向散射曲線，只是為線性刻度。該曲線圖證實(shí)了光纖端以外的隨機(jī)噪聲性質(zhì)。隨機(jī)噪聲是距離的線性函數(shù)。
對(duì)于DC值或相位偏移值的計(jì)算具有小誤差的情況，隨機(jī)噪聲不具有和以前相同的特性。噪聲含有通常不同的偏移，其產(chǎn)生沿距離的非線性函數(shù)。圖11b和11c示出在反向散射曲線上的這些噪聲特性，和以前包含DC誤差的情況相同。
圖11d示出長(zhǎng)度為4415米的光纖的反向散射曲線噪聲特性，有相位偏移誤差(垂直“Y軸”為線性刻度)，圖11e示出圖11d的光纖的已校正反向散射曲線，沒(méi)有相位偏移誤差(Y軸為線性刻度)。
6.頻率校準(zhǔn)6.1介紹光學(xué)和電子組件的非線性性質(zhì)產(chǎn)生頻率數(shù)據(jù)中的失真。結(jié)果也是沿溫度分布圖的非線性失真，這降低了溫度測(cè)量系統(tǒng)的精確度。這些種類的誤差沿溫度分布圖具有輕微的非線性偏移，最大為±1K。特別對(duì)于需要高溫度精確度的傳感器應(yīng)用，附加校準(zhǔn)過(guò)程就很必要。
上述非線性效應(yīng)導(dǎo)致復(fù)頻率函數(shù)的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的非線性估算。和由于串?dāng)_引起的相加誤差相反，非線性效應(yīng)導(dǎo)致每個(gè)復(fù)頻率點(diǎn)中的倍增誤差。這種倍增誤差函數(shù)可用所謂頻率校準(zhǔn)來(lái)校正。頻率校準(zhǔn)有利地是光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)整個(gè)校準(zhǔn)的最后校正順序。
圖12a示出溫度分布圖，即溫度[℃]作為光纖長(zhǎng)度坐標(biāo)z[m]的函數(shù)，未經(jīng)頻率校準(zhǔn)，示出沿光纖的分布干擾。傳感器由(在此)串聯(lián)的兩個(gè)不同光纖組成。長(zhǎng)度為100米左右的第一光纖(在圖12a中表示為“內(nèi)部參考光纖”)位于測(cè)量系統(tǒng)中，作為溫度計(jì)算的溫度參考。長(zhǎng)度為3900米左右的第二光纖是實(shí)際的傳感器光纖，其靠光學(xué)插頭連接在測(cè)量系統(tǒng)上。傳感器光纖位于溫度為20℃的恒溫恒濕箱中。
沿傳感器電纜的溫度分布圖揭示了上述沿溫度分布圖的非線性失真。代之以具有溫度值為20℃的恒定溫度分布圖，光學(xué)和電子組件的非線性性質(zhì)產(chǎn)生沿溫度分布圖的非線性干擾。-1K的最大誤差對(duì)應(yīng)于z＝1000米左右的長(zhǎng)度位置，+1K的最大誤差對(duì)應(yīng)于z＝3500米左右的長(zhǎng)度位置(見(jiàn)圖13a)。
圖12b示出在頻率校準(zhǔn)之后作為同一上述光纖的光纖長(zhǎng)度函數(shù)的溫度分布圖。該曲線圖示出傳感器電纜的溫度分布圖，具有預(yù)期的20℃溫度值。沿整個(gè)溫度分布圖(包含內(nèi)部參考光纖)的非線性失真的影響已被校正了。
該頻率校準(zhǔn)方法考慮到了在頻域和空間域之間的理論卷積，參閱以上基于傅里葉分析的概述。
從這個(gè)數(shù)學(xué)框架，可以計(jì)算復(fù)頻率數(shù)據(jù)。重要的是要知道例如特殊標(biāo)準(zhǔn)光纖的有關(guān)傳感器特性，這些特性例如可以用已校準(zhǔn)的測(cè)量設(shè)備從光纖測(cè)量中提取。
6.2數(shù)學(xué)框架以下公式描述作為位置函數(shù)的喇曼反向散射曲線，并且是使用傅里葉變換來(lái)確定復(fù)頻率函數(shù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
sR(z)=∫-∞+∞SR(v)·ej2π·v·zdv=ρR(z)·e-2·αPR·z]]>用于喇曼反向散射曲線的上述公式描述了一種光纖的情況。在沿光纖有恒定的喇曼反向散射因子ρR和恒定的衰減系數(shù)αPR的情況下，喇曼光的復(fù)頻率函數(shù)可用下式表示SR1(v)=ρR12αPR1+j2πv(1-e-2·αPR1+L1·e-j2π·v·L1)]]>L1是光纖長(zhǎng)度。由于菲涅耳反射引起的附加效應(yīng)，用反射因子RFR描述，以及由于插入損耗引起的附加損耗η未包含在上述公式中。
為試圖找出實(shí)際上有關(guān)的光纖設(shè)置的適當(dāng)數(shù)學(xué)描述，我們必須擴(kuò)展特性的光學(xué)模型。參閱校準(zhǔn)方法，我們必須考慮具有不同長(zhǎng)度(L1、L2)、不同喇曼反向散射因子(ρR1，ρR2)以及不同衰減系數(shù)(αPR1，αPR2)的兩個(gè)不同光纖的光纖設(shè)置。用于光纖連接的光學(xué)插頭的插入損耗用η1-2描述。兩個(gè)光纖的反向散射喇曼光的對(duì)應(yīng)復(fù)頻率函數(shù)為SR(v)＝SR1(v)+SR2(v)其中SR1(v)=ρR12αPR1+j2πv-(1-e-2·αPR1·L1·e-j2π·v·L1)]]>SR2(v)=η1-2·{ρR22αPR2+j2πv(1-e-2·αPR2·L2·e-j2π·v·L2)}·e-j2π·v·L1]]>以下的數(shù)學(xué)模型考慮了在第一光纖端(RFR1)、光學(xué)插頭連接(RFR2)以及光學(xué)設(shè)置的第二端(RFR3)的菲涅耳反射因子?？梢杂靡韵聫?fù)頻率項(xiàng)來(lái)描述反射特性SFR(v)＝SF1(v)+SF2(v)+SF3(v)其中SF1(v)＝RFR1SF2(v)=RFR2·e-2·αPR1·L1·e-j2π·v·L1]]>SF3(v)=RFR3·η1-2·e-2·αPR1·L1·e-j2π·v·L1·e-2·αPR2·(L2-L1)·e-j2π·v·(L2-L1)]]>基于上述光纖設(shè)置的復(fù)頻率信號(hào)的完整表達(dá)式是反向散射和反射喇曼光之和SR(v)＝SR1(v)+SR2(v)+SF1(v)+SF2+SF2(v)+SF3(v)這些項(xiàng)的展開(kāi)基于光纜的群速模型(參閱例如G.Grau，W.Freude，“Optische Nachrichtentechnik”，Springer Verlag，和H.-G.Unger“Optische Nachrichtentechnik”，Teil 1和Teil 2，Hüthig-Verlag)。
6.3校準(zhǔn)過(guò)程光纖設(shè)置(校準(zhǔn)光纖)的光學(xué)參數(shù)(光纖長(zhǎng)度、喇曼反向散射因子、衰減系數(shù)、插入損耗以及菲涅耳反射)可以由使用光學(xué)時(shí)域反射儀(OTDR)的市售光學(xué)裝置來(lái)測(cè)量(例如參閱Erhard Grimm，WalterNowak“Lichtwellenleitertechnik”，Hüthig-Verlag)。通過(guò)使用具有低返回?fù)p耗的光學(xué)插頭并將光纖端切割成傾斜峭壁，可以減少菲涅耳反射的影響。
有了關(guān)于光學(xué)設(shè)置的光學(xué)特性的這種知識(shí)，預(yù)期的復(fù)頻率曲線就可以用上述數(shù)學(xué)模型確定。FMCW反向散射系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)SRM與所計(jì)算的復(fù)頻率函數(shù)SR的復(fù)比率提供了復(fù)頻率誤差函數(shù)SK(v)=SRM(v)SR(v)]]>圖13a示出作為頻率(從0到35MHz)函數(shù)的反斯托克斯接收器信號(hào)的所計(jì)算的復(fù)幅值函數(shù)。反斯托克斯信號(hào)對(duì)應(yīng)的測(cè)量信號(hào)在圖13b中提出了。測(cè)量的與計(jì)算的信號(hào)之復(fù)比率就是復(fù)頻率誤差函數(shù)。圖13c示出反斯托克斯信號(hào)對(duì)應(yīng)的復(fù)誤差函數(shù)SK。垂直軸(Y軸)為對(duì)數(shù)刻度[dB]。
所得出的測(cè)量的和計(jì)算的頻率數(shù)據(jù)之間的偏差可由信號(hào)處理單元例如DSP來(lái)校正。復(fù)頻率誤差函數(shù)必須存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，例如DSP的存儲(chǔ)器。在(下一次)測(cè)量開(kāi)始，喇曼信號(hào)的所檢測(cè)頻率數(shù)據(jù)SRM可用復(fù)頻率誤差函數(shù)SK校正，通過(guò)以下復(fù)除法Sideal(v)=SRM(v)SK(v)]]>頻率校準(zhǔn)的結(jié)果是沒(méi)有非線性失真和高精確度的溫度分布圖。
復(fù)頻率校正的優(yōu)點(diǎn)是防止反向散射曲線中的非線性干擾。對(duì)于需要具有高精確度的反向散射分布圖的應(yīng)用，用復(fù)頻率誤差函數(shù)的校正可能是有利的。存儲(chǔ)兩個(gè)復(fù)頻率誤差函數(shù)SK(斯托克斯和反斯托克斯)要求例如在DSP板上有足夠的內(nèi)存。
在頻域中確定復(fù)頻率誤差函數(shù)的備選方案是在空間域中計(jì)算反向散射曲線從反斯托克斯到斯托克斯信號(hào)的關(guān)系誤差函數(shù)。
圖14a示出所計(jì)算的(理論)信號(hào)的反斯托克斯與斯托克斯反向散射曲線的關(guān)系sAnti-Stokes(z)/sStokes(z)(即在逐點(diǎn)基礎(chǔ)上的比率或數(shù)字商)，圖14b示出以對(duì)數(shù)垂直刻度表示的作為光纖長(zhǎng)度坐標(biāo)[m]函數(shù)的反斯托克斯與斯托克斯反向散射曲線的對(duì)應(yīng)測(cè)量關(guān)系。
圖14c示出從測(cè)量的和計(jì)算的復(fù)頻率信號(hào)函數(shù)中反斯托克斯與斯托克斯反向散射曲線之間的差異。圖14c中的垂直刻度是線性的，軸向刻度是光纖長(zhǎng)度坐標(biāo)[m]。所得出的干擾曲線表示沿光纖的溫度誤差函數(shù)(見(jiàn)圖12a)。使用關(guān)系誤差函數(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)關(guān)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求比復(fù)頻率誤差函數(shù)的要低得多。缺點(diǎn)是喇曼反向散射曲線中的非線性失真。
7.光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器例如光纖的特性，包含光學(xué)連接器、可能的接頭、包層、衰減以及光纖長(zhǎng)度等，對(duì)測(cè)量結(jié)果都有影響。這些特性對(duì)復(fù)接收的頻率數(shù)據(jù)(例如源自喇曼散射的)有直接影響。理想的是，這些效應(yīng)可校正，且在改變傳感器時(shí)不應(yīng)提出問(wèn)題(假定新傳感器特性適當(dāng)表征并已考慮在內(nèi))。實(shí)際上，由于校正的有限精確度，在正常校準(zhǔn)過(guò)程中存在剩余誤差(設(shè)備用具有已知特性的標(biāo)準(zhǔn)傳感器校準(zhǔn))，導(dǎo)致在導(dǎo)出的物理特性(例如溫度分布圖)中的誤差。理想的是，每當(dāng)另一傳感器連接到激勵(lì)和估算單元時(shí)就應(yīng)執(zhí)行重新校準(zhǔn)。這既費(fèi)時(shí)又不切合實(shí)際(特別對(duì)于已安裝的設(shè)備)。
這些問(wèn)題可以通過(guò)基于上述噪聲線性概念的自動(dòng)校準(zhǔn)來(lái)克服。
圖6示出長(zhǎng)度為100米的波導(dǎo)傳感器的喇曼反斯托克斯光的測(cè)量，圖6a示出反向散射曲線(對(duì)數(shù)刻度)，圖6b示出對(duì)應(yīng)的傅里葉變換的頻率信號(hào)(復(fù)測(cè)量信號(hào)的幅值函數(shù))。
圖6a示出長(zhǎng)度為100米的波導(dǎo)傳感器的喇曼反斯托克斯光的反向散射曲線(對(duì)數(shù)刻度)。曲線圖的第一部分描述喇曼光沿光纖長(zhǎng)度的線性衰減。逸出光纖遠(yuǎn)端的光不能到達(dá)測(cè)量裝置的光電檢測(cè)器。對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器信號(hào)含有隨機(jī)噪聲，它在反向散射信號(hào)中在光纖遠(yuǎn)端以外的區(qū)域中產(chǎn)生噪聲頻帶。對(duì)應(yīng)的傅里葉變換的頻率信號(hào)的特征示于圖6b(復(fù)測(cè)量信號(hào)的幅值函數(shù))?？梢钥闯?，復(fù)測(cè)量信號(hào)以及第一測(cè)量點(diǎn)(DC值)都取決于光纖長(zhǎng)度。這意味著，當(dāng)傳感器(光纖)的光學(xué)特性改變時(shí)，重復(fù)硬件校準(zhǔn)例行程序是有利的。
圖7示出波導(dǎo)長(zhǎng)度為5000米的傳感器的喇曼反斯托克斯光的測(cè)量，圖7a示出作為光纖中位置函數(shù)的反向散射曲線(對(duì)數(shù)刻度)，圖7b示出作為頻率函數(shù)的幅值函數(shù)。
比較圖6b和7b的對(duì)應(yīng)頻率曲線圖闡明不同傳感器特性的影響(此處用光纖長(zhǎng)度為例)。頻率信號(hào)的這種改變對(duì)DC值的測(cè)量也有影響。這就是說(shuō)DC值不是常數(shù)函數(shù)，并示出了將傳感器包含到復(fù)頻率數(shù)據(jù)DC值的校正中的優(yōu)點(diǎn)。
8.串?dāng)_校準(zhǔn)圖10示出測(cè)量通道之間的串?dāng)_對(duì)所得出的反向散射曲線的影響(所有曲線在垂直“Y軸”上都是對(duì)數(shù)刻度)，圖10a示出在不同通道中的串?dāng)_(反斯托克斯和斯托克斯)，圖10b示出從激光器模塊到不同測(cè)量通道的光學(xué)接收器板的“純”串?dāng)_。在這種情況下，沒(méi)有光學(xué)信號(hào)能達(dá)到接收器板的光電檢測(cè)器。圖10c示出作為頻率函數(shù)的測(cè)量信號(hào)，沒(méi)有電串?dāng)_，圖10d和11e示出光纖的反向散射曲線，分別為有串?dāng)_誤差和沒(méi)有串?dāng)_誤差。
圖10a示出作為頻率函數(shù)的斯托克斯和反斯托克斯光的測(cè)量信號(hào)(幅值函數(shù))。預(yù)期的信號(hào)必須沿頻率軸具有指數(shù)下降(類似于圖7b中的形式)。在18MHz和30MHz的峰值來(lái)自于在測(cè)量信號(hào)上產(chǎn)生相加重疊的串?dāng)_。這種串?dāng)_引起隨機(jī)噪聲形式的附加誤差以及溫度分布圖中的非線性干擾。在反向散射曲線開(kāi)始(圖11d)，我們可以看見(jiàn)振蕩。這種振蕩在串?dāng)_補(bǔ)償后即被消除。在圖11e中，反向散射曲線在開(kāi)始是平坦的。比較這兩個(gè)曲線圖(圖11d和圖11e)顯示出在140米位置處有附加效應(yīng)。這個(gè)小下降對(duì)應(yīng)于光纖連接的插入損耗。進(jìn)入反向散射的這個(gè)影響由于串?dāng)_效應(yīng)而重疊。這就是說(shuō)，串?dāng)_在反向散射曲線中產(chǎn)生誤差和非線性效應(yīng)，其后果也進(jìn)入了溫度分布圖。
這種誤差與喇曼測(cè)量信號(hào)無(wú)關(guān)。我們通過(guò)使激光器模塊上的光纖插頭連接開(kāi)路可以非常容易地測(cè)量這些電干擾。激光因此就不再被光電檢測(cè)器所接收。圖10d中的頻率測(cè)量顯示出由于不同通道之間的串?dāng)_而引起的上述誤差信號(hào)。
圖10b示出作為頻率函數(shù)的反斯托克斯和斯托克斯信號(hào)之間的復(fù)串?dāng)_，為對(duì)數(shù)刻度。
這個(gè)復(fù)串?dāng)_信號(hào)可存儲(chǔ)在DSP系統(tǒng)中。誤差校正是從純串?dāng)_信號(hào)(圖10b)減去測(cè)量信號(hào)(圖10a)的一種容易的復(fù)減法。圖10c表示該操作的結(jié)果，示出作為頻率函數(shù)的測(cè)量信號(hào)，沒(méi)有電串?dāng)_(對(duì)數(shù)刻度)。
圖10d和10e(都是對(duì)數(shù)刻度)表示對(duì)應(yīng)的反向散射曲線，分別為有串?dāng)_(圖10d)和沒(méi)有串?dāng)_(圖10e)。
圖11示出有和沒(méi)有DC誤差的固定長(zhǎng)度的光波導(dǎo)傳感器的反向散射曲線，相位偏移誤差已被消除，圖11a和11b示出沒(méi)有DC誤差的長(zhǎng)度為5273米的光纖的反向散射曲線，垂直“Y軸”分別為對(duì)數(shù)刻度和線性刻度，圖11c示出有DC誤差的長(zhǎng)度為5273米的光纖的反向散射曲線(對(duì)數(shù)刻度)。
9.校準(zhǔn)順序9.1硬件校準(zhǔn)開(kāi)發(fā)適合的硬件校準(zhǔn)過(guò)程的基本思想是分離誤差以能夠執(zhí)行誤差定向的校正。
復(fù)頻率曲線中不同的誤差可有利地配置成以下校正順序1.由于電串?dāng)_引起的相加頻率誤差2.由于組件容差引起的相位偏移誤差3.對(duì)于高精度的逆傅里葉變換公式由于測(cè)量DC值的問(wèn)題引起的DC誤差4.由于實(shí)際有限的精度引起的校正步驟2和3中的剩余誤差5.由于組件的非線性性質(zhì)引起的倍增頻率誤差原則上也可能有其它的校正順序，但從技術(shù)方面來(lái)看上述順序?yàn)閮?yōu)選的。
9.2溫度校準(zhǔn)硬件校準(zhǔn)之后，下一過(guò)程有利的是基于光纖特性的溫度校準(zhǔn)，按以下順序1.確定溫度與光纖包層的相關(guān)性2.確定絕對(duì)溫度值3.確定靈敏度實(shí)例1圖9示出校準(zhǔn)過(guò)程的優(yōu)選組合實(shí)例。
在一個(gè)實(shí)施例中，校準(zhǔn)方法包括以下步驟，這些步驟是在測(cè)量系統(tǒng)的DSP中在軟件中作的自動(dòng)校準(zhǔn)過(guò)程的一部分步驟1串?dāng)_補(bǔ)償為了消除串?dāng)_，在系統(tǒng)制造期間用特定測(cè)量過(guò)程(參閱第8節(jié))確定串?dāng)_。測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)到專用系統(tǒng)中。在正常工作的每個(gè)測(cè)量周期中，從測(cè)量的復(fù)頻率數(shù)據(jù)中減去所存儲(chǔ)的串?dāng)_。
步驟2.相位偏移校正可以在系統(tǒng)制造期間用線性近似法(參閱第4節(jié))或在正常工作的每個(gè)測(cè)量周期中作為在線測(cè)量來(lái)確定相位偏移。近似法的輕微誤差傾向的結(jié)果可由用自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)應(yīng)用關(guān)于噪聲的準(zhǔn)則所確定的第二校正因子來(lái)改進(jìn)，如果步驟4已執(zhí)行了的話。
步驟3DC值校正DC值校正作為確定FFT-DC真值(參閱第3節(jié))的特定方法在正常工作的每個(gè)測(cè)量周期中自動(dòng)(在線)執(zhí)行。DC校正過(guò)程考慮到了自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)應(yīng)用關(guān)于噪聲的準(zhǔn)則的結(jié)果，如果步驟4已執(zhí)行了的話。
步驟4自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)相位偏移校正和DC值校正的剩余誤差由自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)確定(參閱第5節(jié))。用所述的迭代方法，使用已定義規(guī)則來(lái)修改校正因子，直到滿足收斂準(zhǔn)則為止，反向散射曲線的線性化就達(dá)到了。自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)在生產(chǎn)期間被執(zhí)行，并且必須在試車(chē)和維護(hù)期間重復(fù)，以將不同光纖或老化效應(yīng)考慮在內(nèi)。自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)的結(jié)果也存儲(chǔ)到系統(tǒng)中，并在正常工作的每個(gè)測(cè)量周期中在步驟2和3中應(yīng)用。
步驟5頻率校準(zhǔn)頻率校準(zhǔn)(參閱第6節(jié))考慮到，在相位偏移和DC值之下，對(duì)于高于零Hz的測(cè)量頻率，有偏離理想結(jié)果的相位特征和幅值特征。校正數(shù)據(jù)在專用系統(tǒng)生產(chǎn)期間的特定測(cè)量中被確定并存儲(chǔ)到系統(tǒng)中。在正常工作的每個(gè)測(cè)量周期中，在DC值校正和相位偏移校正后將這個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)用到頻率數(shù)據(jù)上。
步驟6溫度校準(zhǔn)校正數(shù)據(jù)(參閱第9.2節(jié))在專用系統(tǒng)制造期間的特定測(cè)量中被確定并存儲(chǔ)到系統(tǒng)中。
步驟7現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)僅用軟件過(guò)程重復(fù)步驟4，不用任何其它資源。估算單元不需為此目的打開(kāi)。當(dāng)因光纖的改變和估算單元的老化效應(yīng)而系統(tǒng)被修改時(shí)，重新校準(zhǔn)的結(jié)果消除了主要在DC值上的反饋效應(yīng)。
實(shí)例2參閱在以上“背景技術(shù)”一節(jié)(點(diǎn)a)-e))中所述的現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，以下實(shí)例討論了在本發(fā)明的框架中對(duì)那些問(wèn)題的解決方案。
a)DC誤差a1)在fm＝0確定反向散射信號(hào)值(DC值)的困難。
a2)DC值取決于傳感器特性。
a1)和a2)是用自動(dòng)DC校正過(guò)程(參閱以上第3節(jié))進(jìn)行補(bǔ)償，這是個(gè)測(cè)量過(guò)程，附加還使用由稱為自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)(參閱以上第5節(jié))的線性化過(guò)程在反向散射曲線中應(yīng)用有關(guān)噪聲特征的準(zhǔn)則所確定的校正因子進(jìn)行補(bǔ)償。為了準(zhǔn)確確定DC值，DC校正過(guò)程使用線性化過(guò)程的結(jié)果來(lái)消除剩余誤差。
b)由于光學(xué)和電子組件的容差和非線性性質(zhì)引起的誤差b)由相位偏移校正過(guò)程(組件容差)，參閱以上第4和5節(jié)，以及也由頻率校準(zhǔn)過(guò)程(組件的非線性性質(zhì))，參閱以上第6節(jié)，進(jìn)行補(bǔ)償。
相位偏移值通過(guò)在fm＝0左右的相位曲線的近似來(lái)確定。相偏用作校正算法的輸入，該算法包括從復(fù)頻率數(shù)據(jù)信號(hào)的整個(gè)相位曲線減去偏移值。
b)在以下兩個(gè)步驟中進(jìn)行補(bǔ)償1.首先，確定作為頻率數(shù)據(jù)相位特征的恒定相位誤差的測(cè)量通道之間的相對(duì)相移。這個(gè)相移對(duì)測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量有最大的影響。它是由應(yīng)用于整個(gè)相位特征的“相位偏移校正過(guò)程”補(bǔ)償?shù)?。這個(gè)過(guò)程基于對(duì)fm＝0Hz的所測(cè)量相角的近似。該近似有輕微的誤差傾向(參閱以上第4節(jié))。其余的剩余誤差通過(guò)使用稱為“自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)”的線性化過(guò)程的結(jié)果(參閱以上第5節(jié))而被消除。
2.在第2步，通過(guò)使用“頻率校準(zhǔn)過(guò)程”(參閱以上第6節(jié))消除測(cè)量頻率＞0Hz的相位和幅值特征的非線性。
c)由于不同測(cè)量通道之間的串?dāng)_引起的誤差c)由串?dāng)_補(bǔ)償過(guò)程(參閱以上第8節(jié))進(jìn)行補(bǔ)償。
d)由于電子組件的老化效應(yīng)引起的誤差d)通過(guò)在懷疑有改變時(shí)不時(shí)地重復(fù)硬件校準(zhǔn)(參閱以上第9.1節(jié))進(jìn)行補(bǔ)償。
e)由傳感器線路改變引起的誤差e)由自動(dòng)系統(tǒng)校準(zhǔn)(參閱以上第5節(jié))進(jìn)行補(bǔ)償，該校準(zhǔn)應(yīng)用有關(guān)噪聲特征的準(zhǔn)則使反向散射曲線線性化。
本發(fā)明由獨(dú)立權(quán)利要求的特征定義。優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中定義。權(quán)利要求中的任何參考編號(hào)對(duì)其范圍應(yīng)為是非限制性的。
以上已示出了一些優(yōu)選實(shí)施例，但應(yīng)強(qiáng)調(diào)，本發(fā)明不限于這些實(shí)施例，而是可在以下權(quán)利要求書(shū)中所定義的主題內(nèi)以其它途徑實(shí)施(包括不基于光學(xué)反向散射技術(shù)的途徑)。
權(quán)利要求
1.一種校準(zhǔn)光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)的方法，所述系統(tǒng)包括激勵(lì)和估算部分以及縱向延伸的傳感器，所述傳感器具有第一和第二端，所述激勵(lì)和估算部分適于將調(diào)制頻率為fm的調(diào)頻光信號(hào)激勵(lì)到所述傳感器的第一端，并估算從所述傳感器的第一端接收的傳感器信號(hào)，所述傳感器適于基于從中可提取所述傳感器沿其長(zhǎng)度在第一和第二端之間的空間分布測(cè)量點(diǎn)的物理參數(shù)的所述調(diào)頻光信號(hào)來(lái)捕獲數(shù)據(jù)信號(hào)，所述方法包括以下步驟A.將所述接收的傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為作為所述調(diào)制頻率fm函數(shù)的復(fù)接收的電信號(hào)，所述復(fù)接收的電信號(hào)由作為所述調(diào)制頻率fm函數(shù)的幅值部分和相角部分表示；B.對(duì)所述接收的電信號(hào)執(zhí)行變換，以提供作為所述傳感器的所述第一和第二端之間以及所述第二端以外的位置函數(shù)的反向散射信號(hào)；C.從作為位置函數(shù)的所述反向散射信號(hào)中確定表示所述第二端以外的所述反向散射信號(hào)的曲線特征；D.在所述曲線的預(yù)定相關(guān)性中校正所述接收的電信號(hào)的所述幅值部分和所述接收的電信號(hào)的所述相角部分；E.在校正的接收的電信號(hào)的基礎(chǔ)上重復(fù)步驟B)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟F可選地重復(fù)步驟C、D、E，直到滿足預(yù)定準(zhǔn)則為止。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中在步驟F，所述預(yù)定準(zhǔn)則是表示所述傳感器的所述第二端以外的所述反向散射信號(hào)的所述曲線可以用斜率大致為0的直線近似。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述斜率小于0.5樣本，諸如小于0.05樣本，諸如小于0.005樣本。
5.如權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述預(yù)定準(zhǔn)則包括以下準(zhǔn)則所述第二端以外的部分或全部所述反向散射信號(hào)的所述樣本的均值小于0.5樣本，諸如小于0.05樣本。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其中在步驟D，所述接收的電信號(hào)的所述幅值部分的所述校正包括子步驟D1在所述調(diào)制頻率fm等于0時(shí)用初始校正量ΔH0(0)校正所述幅值數(shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中在步驟D1，所述初始校正量ΔH0(0)設(shè)為預(yù)定值，諸如估計(jì)值。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其中在步驟D1，所述初始校正量ΔH0(0)由在所述反向散射曲線中噪聲均值偏離0的量來(lái)確定。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其中在步驟D，所述接收的電信號(hào)的所述相角部分的所述校正包括子步驟D2在fm＝0左右確定作為所述調(diào)制頻率fm函數(shù)的所接收電信號(hào)的所述相角的初始偏移值Δ0(0)；并且隨后用所述偏移值校正表示作為調(diào)制頻率fm函數(shù)的所接收電信號(hào)的所述相角的數(shù)據(jù)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中在步驟D2，所述初始偏移值Δ0(0)設(shè)為預(yù)定值。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其中在步驟D2，所述初始偏移值Δ0(0)通過(guò)線性外推fm-＞0Hz的所述相角數(shù)據(jù)來(lái)確定。
12.如權(quán)利要求1到11中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述校準(zhǔn)過(guò)程的步驟A、B、C、D、E在每個(gè)測(cè)量周期中都執(zhí)行。
13.如權(quán)利要求9到12中任一項(xiàng)所述的方法，其中步驟D還包括子步驟D3確定剩余校正因子ΔHres(0)，以及子步驟D4確定剩余偏移值Δres(0)，這兩個(gè)子步驟都基于在分別用子步驟D1的所述初始校正量ΔH0(0)和子步驟D2的所述初始偏移值Δ0(0)校正之后從分別表示作為所述調(diào)制頻率fm函數(shù)的所述幅值部分和所述相角部分的數(shù)據(jù)中計(jì)算的反向散射數(shù)據(jù)，其中在子步驟D3，所述剩余校正因子ΔHres(0)的值基于所述傳感器的所述第二端以外的所述反向散射信號(hào)平均電平的均值，并且在子步驟D4，所述剩余偏移值Δres(0)的值基于所述傳感器的所述第二端以外的所述反向散射信號(hào)的斜率值。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述校正步驟D3和D4基于平均的反向散射曲線，諸如多于5次測(cè)量，諸如多于10次測(cè)量，諸如多于20次測(cè)量。
15.如權(quán)利要求1到14中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述校準(zhǔn)是使用具有眾所周知特征的標(biāo)準(zhǔn)化光學(xué)傳感器執(zhí)行的。
16.如權(quán)利要求13到14中任一項(xiàng)所述的方法，其中如果所述傳感器的特征諸如光學(xué)特征改變，或者如果所述系統(tǒng)的其它特征已改變或者懷疑已改變，則執(zhí)行所述校準(zhǔn)。
17.如權(quán)利要求1到16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述測(cè)量系統(tǒng)是適于測(cè)量空間分布的溫度分布圖的喇曼反向散射系統(tǒng)。
18.如權(quán)利要求1到17中任一項(xiàng)所述的方法，其中對(duì)于表示反斯托克斯信號(hào)以及斯托克斯信號(hào)執(zhí)行所述校準(zhǔn)方法。
19.如權(quán)利要求1-18中任一項(xiàng)所述的方法，另外還包括串?dāng)_校正過(guò)程，所述過(guò)程包括以下步驟G1.在系統(tǒng)制造期間，用特定測(cè)量過(guò)程確定和存儲(chǔ)所述測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量通道之間的串?dāng)_，以及G2.在正常工作的每個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，從所測(cè)量的復(fù)頻率數(shù)據(jù)中減去所存儲(chǔ)的串?dāng)_數(shù)據(jù)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中步驟G1和G2是在其它校正校準(zhǔn)步驟之前進(jìn)行的。
21.如權(quán)利要求1-20中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述傳感器包括可串聯(lián)到測(cè)量部分的參考部分。
22.如權(quán)利要求1-21中任一項(xiàng)所述的方法，另外還包括考慮頻域和空間域之間理論卷積的步驟，其中在步驟H1，從數(shù)學(xué)模型中確定預(yù)期的復(fù)頻率曲線，并且確定由所述FMCW反向散射系統(tǒng)的所測(cè)量數(shù)據(jù)SRM與所計(jì)算復(fù)頻率函數(shù)SR的復(fù)比率構(gòu)成的復(fù)頻率誤差函數(shù)，并將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，以及在步驟H2，在下一測(cè)量周期開(kāi)始時(shí)，用所述復(fù)頻率誤差函數(shù)校正所測(cè)量的頻率數(shù)據(jù)SRM。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中步驟G1和G2是在其它校正校準(zhǔn)步驟之后進(jìn)行的。
24.一種光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)，包括其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可讀程序代碼的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述程序代碼用于執(zhí)行如權(quán)利要求1到23中任一項(xiàng)所述的校準(zhǔn)方法。
25.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可讀程序，所述程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)可以執(zhí)行如權(quán)利要求1到23中任一項(xiàng)所述的校準(zhǔn)方法。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種校準(zhǔn)光學(xué)FMCW反向散射測(cè)量系統(tǒng)的方法，它改進(jìn)測(cè)量的精度。該問(wèn)題用包括以下步驟的方法來(lái)解決A.將所述接收的傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為作為所述調(diào)制頻率f
文檔編號(hào)G01K11/00GK101069074SQ200580038058
公開(kāi)日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2005年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月10日
發(fā)明者M·弗羅梅, U·格洛比特扎 申請(qǐng)人:利奧斯科技有限責(zé)任公司