專(zhuān)利名稱(chēng)：波長(zhǎng)特定設(shè)備的詢(xún)問(wèn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波長(zhǎng)特定(wavelength-specific)設(shè)備的詢(xún)問(wèn)(interrogation)。
背景技術(shù)：
在多種電信/傳感應(yīng)用中已經(jīng)報(bào)道了波長(zhǎng)特定濾波器/反射器/干涉儀。它們的應(yīng)用的一個(gè)示例是在計(jì)量學(xué)中，由設(shè)備經(jīng)歷的物理、化學(xué)或生物變化導(dǎo)致可測(cè)量為傳播通過(guò)設(shè)備/由設(shè)備反映的場(chǎng)的特性的變化的響應(yīng)。在光學(xué)領(lǐng)域，波長(zhǎng)特定濾波器/反射器的某一類(lèi)型是光纖布拉格光柵(FBG)。光纖布拉格光柵反射以光柵(光纖長(zhǎng)度內(nèi)的周期性折射率調(diào)制)的布拉格波長(zhǎng)為中心的窄帶波長(zhǎng)。當(dāng)嵌入在諸如橋的結(jié)構(gòu)中時(shí)，從結(jié)構(gòu)傳輸?shù)焦饫w的應(yīng)變(strain)導(dǎo)致光柵會(huì)被拉伸或壓縮，因而產(chǎn)生特征反射波長(zhǎng)的偏移。這樣的傳感器也依賴(lài)于溫度，因此也可以被用于溫度 變化的監(jiān)測(cè)。光纖布拉格光柵在電信中用于多種能力。它們被用作陷波濾波器以及用于多路復(fù)用/解復(fù)用以及上/下路復(fù)用。這些應(yīng)用通常使用結(jié)合光柵的光學(xué)環(huán)形器，以濾出或者添加波長(zhǎng)特定的信道。它們也用于色散補(bǔ)償。傳統(tǒng)上，已經(jīng)使用色散補(bǔ)償光纖的長(zhǎng)度。光纖的這個(gè)長(zhǎng)度將具有與用于實(shí)際傳輸?shù)膯文９饫w相反的色散系數(shù)。然而，這種方法增加了傳輸損耗，并且由于非線性效應(yīng)而限制了可以發(fā)射到光纖的光功率。通常通過(guò)使用啁啾光柵引入波長(zhǎng)特定的時(shí)間延遲，而實(shí)現(xiàn)采用FBG的色散補(bǔ)償。當(dāng)詢(xún)問(wèn)或表征(characterize) FBG時(shí),反射波長(zhǎng)中引入的變化需要精確的測(cè)量。理想的詢(xún)問(wèn)系統(tǒng)需要高分辨率，通常在從亞皮米(sub-picometer)到幾皮米波長(zhǎng)分辨率的范圍內(nèi)，并且應(yīng)該能夠詢(xún)問(wèn)多路復(fù)用的光柵，尤其是當(dāng)光柵理想地適合于波分復(fù)用(WDM)時(shí)。低相干干涉儀(LCI)已被認(rèn)為是包括光纖通信、計(jì)量學(xué)、安全、航空航天、石油和天然氣工業(yè)、土木和巖土工程以及環(huán)境監(jiān)測(cè)的廣泛領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)。因?yàn)樵诓东@的干涉圖內(nèi)表征全波長(zhǎng)范圍，所以典型地實(shí)施為傅里葉變換光譜學(xué)(FTS)的干涉光譜學(xué)相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)呈現(xiàn)出根本優(yōu)勢(shì)。這種優(yōu)勢(shì)被公知是費(fèi)爾蓋特(Fellgett)優(yōu)勢(shì)或者多路復(fù)用優(yōu)勢(shì)。然而，使用干涉手段的FTS的傳統(tǒng)實(shí)施方式依賴(lài)于要被詢(xún)問(wèn)的光對(duì)干涉儀的照明，并且因而不適合于多路復(fù)用陣列的同時(shí)詢(xún)問(wèn)。超連續(xù)寬帶源的開(kāi)發(fā)在比以前報(bào)道大得多的波長(zhǎng)范圍上釋放了波長(zhǎng)特定設(shè)備的串行多路復(fù)用的潛能。已經(jīng)演示了多種詢(xún)問(wèn)技術(shù)，諸如漂移補(bǔ)償?shù)牟ㄩL(zhǎng)偏移檢測(cè)系統(tǒng)、頻率調(diào)制的激光器二極管、雙干涉腔系統(tǒng)、通過(guò)光譜儀的詢(xún)問(wèn)、使用匹配的傳感器和接收器對(duì)的詢(xún)問(wèn)、以及光纖傅里葉變換頻譜儀。這些和其它建立的技術(shù)(包括可調(diào)諧激光器、可調(diào)諧濾波器和二極管陣列)在處理下列各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)的能力上受到限制 ·寬波長(zhǎng)范圍上的詢(xún)問(wèn)
·陣列中所有光柵的同時(shí)測(cè)量的提供·多個(gè)陣列中所有光柵的同時(shí)測(cè)量的提供它們?cè)谔峁﹩为?dú)(individual)設(shè)備的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的高分辨率測(cè)量上受到限制，在非均勻被測(cè)環(huán)境領(lǐng)域的檢測(cè)中可能具有潛在價(jià)值。已知沿著光纖長(zhǎng)度串聯(lián)(in series)放置波長(zhǎng)特定設(shè)備的陣列，其中每個(gè)設(shè)備被構(gòu)造為反射、透射或過(guò)濾波長(zhǎng)的不同特征帶。當(dāng)由寬帶光源照明這樣的陣列時(shí)，每個(gè)設(shè)備在不同波長(zhǎng)處反射/透射/濾波。通過(guò)將返回的光提供到干涉儀，可以產(chǎn)生時(shí)間掃描的干涉圖，接著可以使用例如傅里葉分析對(duì)其分析，以確定由每個(gè)設(shè)備返回的波長(zhǎng)。這允許陣列中的每個(gè)設(shè)備被同時(shí)監(jiān)測(cè)。用這種方法的一個(gè)問(wèn)題是，陣列中的設(shè)備不能具有重疊的波長(zhǎng)帶寬。因此，給定從每個(gè)設(shè)備反射的光譜帶寬，信號(hào)分離的考慮對(duì)可以并入陣列中的設(shè)備數(shù)目施加了最大值。為了突破這個(gè)限制，將需要多個(gè)干涉儀，其中每個(gè)干涉儀分析來(lái)自各自設(shè)備陣列的反射信 號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于詢(xún)問(wèn)波長(zhǎng)特定設(shè)備的裝置，所述裝置包括寬帶光源，用于提供寬帶光信號(hào)；干涉儀，用于接收所述寬帶光信號(hào)，并且用于在其輸出處提供低相干時(shí)間干涉圖；波長(zhǎng)特定設(shè)備的至少一個(gè)陣列，所述波長(zhǎng)特定設(shè)備彼此串聯(lián)地連接，用于從所述輸出接收所述干涉圖，其中相對(duì)于所述寬帶光源的帶寬，每個(gè)設(shè)備與限定范圍的波長(zhǎng)帶寬相互作用；探測(cè)器，用于從波長(zhǎng)特定設(shè)備的所述至少一個(gè)陣列接收與所述陣列相互作用之后的光；頻譜分析儀，適配于根據(jù)所述接收的光確定與所述至少一個(gè)陣列中的設(shè)備的所述相互作用相關(guān)聯(lián)的信號(hào)特征。因此，代替用已經(jīng)各自在其自身的特征波長(zhǎng)處與寬帶光源相互作用的設(shè)備的陣列的輸出照明干涉儀，將干涉儀用于調(diào)制來(lái)自寬帶源的輸出，以產(chǎn)生低相干干涉圖。接著，設(shè)備的陣列從這個(gè)低相干干涉圖提取或?yàn)V出相干性更高的干涉圖，其中條紋的頻率取決于設(shè)備返回的光的波長(zhǎng)。這里使用的術(shù)語(yǔ)“寬帶源”表示具有20nm或更大、或更優(yōu)選地40nm或更大、或最優(yōu)選地SOnm或更大的波長(zhǎng)的帶寬的源。典型地，對(duì)于紅外光源(典型帶寬將為大約lOOnm)，帶寬將比可見(jiàn)光源更大，可見(jiàn)光源可以具有大約30-60nm的帶寬。在所有情況下，帶寬比窄帶激光器大得多。相應(yīng)地解釋術(shù)語(yǔ)“低相干干涉圖”，即，由通過(guò)至少20nm的寬帶源的帶寬掃描干涉儀所得到的干涉圖。當(dāng)前可用的探測(cè)器技術(shù)在寬波長(zhǎng)范圍上積分，當(dāng)用寬帶源照明時(shí)，這造成在時(shí)間掃描的干涉儀的輸出處觀察到低相干干涉圖。諸如光纖布拉格光柵的光學(xué)濾波器/反射器不在這樣的寬波長(zhǎng)范圍上積分，因此能夠由于其自身不連續(xù)的波長(zhǎng)帶寬而過(guò)濾振蕩分量，并且能夠?qū)⑦@個(gè)連續(xù)的分量透射/反射到探測(cè)器。探測(cè)器因此接收高相干干涉圖的疊加，用于分析，其中每個(gè)高相干干涉圖由陣列中的一個(gè)獨(dú)立設(shè)備所產(chǎn)生。優(yōu)選地，提供波長(zhǎng)特定設(shè)備的多個(gè)所述陣列，每個(gè)陣列從所述輸出并行地接收所述干涉圖，并且提供多個(gè)探測(cè)器，使得來(lái)自每個(gè)陣列的光被引導(dǎo)到不同的探測(cè)器。在一個(gè)實(shí)施例中，所述設(shè)備是串聯(lián)連接的波長(zhǎng)特定反射器，所述波長(zhǎng)特定反射器各自反射窄帶波長(zhǎng)，同時(shí)允許該帶之外的波長(zhǎng)穿過(guò)。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述設(shè)備是串聯(lián)連接的波長(zhǎng)特定濾波器，所述波長(zhǎng)特定濾波器各自攔截和濾出波長(zhǎng)的第一個(gè)集合，同時(shí)允許此第一個(gè)集合之外的波長(zhǎng)穿過(guò)。信號(hào)可以通過(guò)不同路徑循環(huán)返回到探測(cè)器(例如由從設(shè)備系列到探測(cè)器的光纖的延伸)。通過(guò)用干涉儀輸出照明設(shè)備，而不是典型的用設(shè)備輸出照明干涉儀，消除了對(duì)使用傅里葉變換光譜學(xué)和/或相關(guān)的希爾伯特變換頻譜技術(shù)的單一陣列的詢(xún)問(wèn)的限制。這允許多個(gè)陣列中所有設(shè)備(如果被照明)的同時(shí)詢(xún)問(wèn)。還消除了設(shè)備在唯一波長(zhǎng)處反射/濾波的要求，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)將反射或?yàn)V波相同波長(zhǎng)的設(shè)備簡(jiǎn)單地放置在單獨(dú)陣列(或光纖長(zhǎng)度) 中來(lái)分離所述設(shè)備。對(duì)多個(gè)陣列的波長(zhǎng)范圍的僅有限制是照明干涉儀的寬帶源的波長(zhǎng)范圍(使用超連續(xù)源可獲得 1800nm的帶寬)。因此，優(yōu)選地，至少兩個(gè)所述陣列各自包含在相同波長(zhǎng)處與光相互作用的波長(zhǎng)特定設(shè)備。在優(yōu)選實(shí)施例中，所述多個(gè)陣列由一系列耦合器連接到所述干涉儀輸出，每個(gè)耦合器將接收的干涉圖的第一部分傳輸?shù)剿鲫嚵兄嘘P(guān)聯(lián)的一個(gè)陣列，并且將接收的干涉圖的第二部分傳輸?shù)剿鲴詈掀髦械南乱粋€(gè)。優(yōu)選地，耦合器是定向耦合器，但也可以使用分束器(如果優(yōu)選)。以這種方式，通過(guò)每個(gè)定向耦合器(DC)連續(xù)地劃分低相干干涉圖，使得功率的一部分照射連接到這個(gè)耦合器的陣列，并且其余部分傳輸?shù)讲贾弥械南乱粋€(gè)DC。優(yōu)選地，提供多個(gè)隔離器，用于阻止信號(hào)從所述陣列朝向所述干涉儀以及之前陣列的檢測(cè)系統(tǒng)的反向傳播。在優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一部分表示在所述定向耦合器處接收的功率的1%到20%,并且所述第二部分表示在所述定向耦合器處接收的功率的80%到99%。更優(yōu)選地，第一部分從2%到10% (第二部分從90%到98%)，更優(yōu)選地從3%到8%(第二部分從92%到97%)，最優(yōu)選地為大約5% (第二部分為大約95%)。要注意的是，計(jì)算第一和第二部分以排除來(lái)自DC本身的任何插入損耗或背反射(back ref lection),使得每種情況下第一和第二部分的總和表示可用功率并且因此總計(jì)為100%。優(yōu)選地，提供基準(zhǔn)設(shè)備來(lái)接收所述干涉圖并與所述干涉圖相互作用，所述基準(zhǔn)設(shè)備連接到探測(cè)器，使得可以參照所述基準(zhǔn)設(shè)備的響應(yīng)來(lái)校準(zhǔn)所述干涉圖。基準(zhǔn)設(shè)備(例如基準(zhǔn)布拉格光柵)服務(wù)于兩個(gè)目的。第一個(gè)目的是用于通過(guò)提供固定的頻率基準(zhǔn)而校準(zhǔn)干涉圖中的延遲，根據(jù)所述固定的頻率基準(zhǔn)可以校正光纖拉伸器的非均勻掃描速度。這是有利的，因?yàn)榉蔷鶆驋呙杷俣仍斐煞蔷鶆蜓舆t采樣(理想地，所有光束需要在延遲掃描中的相同點(diǎn)被采樣，否則展寬效應(yīng)會(huì)被引入到相關(guān)峰)。如果這并未被校準(zhǔn)，則光譜峰會(huì)由于間隔很近的傳感器而不能被容易地辨別。校正完全在軟件中執(zhí)行，并且消除了對(duì)零交叉檢測(cè)電路或掃描速度的鎖相環(huán)控制的要求。第二個(gè)功能是提供固定的波長(zhǎng)基準(zhǔn)，利用所述波長(zhǎng)基準(zhǔn)確定傳感器光柵的變化波長(zhǎng)。如果沒(méi)有提供所述波長(zhǎng)基準(zhǔn)，則隨后的掃描速度必須是相同的(難以實(shí)現(xiàn))，以便具有相同的頻率條紋，否則頻譜將會(huì)隨著每次掃描而移動(dòng)位置，并且這會(huì)被視為溫度或應(yīng)變的變化。優(yōu)選地，所述頻譜分析儀包括處理器，其被編程為對(duì)所檢測(cè)的信號(hào)執(zhí)行數(shù)學(xué)分析，所述數(shù)學(xué)分析優(yōu)選為傅里葉變換。優(yōu)選地，所述數(shù)學(xué)分析是傅里葉變換。傅里葉變換(或諸如快速傅里葉變換的任何變體)獲取時(shí)間變化的信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換到頻域，使得合成的反射信號(hào)被表示為不同頻率的信號(hào)的和，其中每個(gè)頻率可以歸因于所述反射器中不同的一個(gè)反射器。優(yōu)選地，在使用多個(gè)陣列的情況下，每個(gè)陣列的信號(hào)經(jīng)由不同信道傳輸，用于信號(hào)分析。這樣做的一個(gè)方法是采用具有多個(gè)信道的數(shù)據(jù)采集卡。 優(yōu)選地，所述頻譜分析儀包括相同或不同的處理器，其被編程為對(duì)所檢測(cè)的信號(hào)執(zhí)行希爾伯特變換，以校準(zhǔn)與所述干涉儀的時(shí)間掃描關(guān)聯(lián)的頻譜內(nèi)容。希爾伯特變換技術(shù)校準(zhǔn)干涉儀中的延遲，去除機(jī)械平移的非均勻掃描速度在傅里葉變換中所引入的不想要的光譜內(nèi)容。經(jīng)由希爾伯特變換獲得的時(shí)間相位矢量也可以提供在需要高速掃描的情況下反射/透射的平均波長(zhǎng)的高分辨率測(cè)量。如果高速掃描不是問(wèn)題，則可以使用傅里葉變換光譜學(xué)以在進(jìn)行長(zhǎng)掃描時(shí)提供設(shè)備內(nèi)的頻譜細(xì)節(jié)。希爾伯特變換處理技術(shù)消除對(duì)精密延遲追蹤電子設(shè)備的要求，因?yàn)樗刑幚砣吭谲浖羞M(jìn)行?，F(xiàn)有干涉儀的傅里葉變換光譜分析需要長(zhǎng)掃描以提供高分辨率測(cè)量。最小可分辨波長(zhǎng)變化δ λ和掃描長(zhǎng)度τ Δ之間的關(guān)系為
權(quán)利要求
1.一種用于詢(xún)問(wèn)波長(zhǎng)特定設(shè)備的裝置，所述裝置包括 寬帶光源，用于提供寬帶光信號(hào)； 干涉儀，用于接收所述寬帶光信號(hào)，并且用于在其輸出處提供低相干時(shí)間干涉圖； 波長(zhǎng)特定設(shè)備的至少一個(gè)陣列，所述波長(zhǎng)特定設(shè)備彼此串聯(lián)地連接，用于從所述輸出接收所述干涉圖，其中相對(duì)于所述寬帶光源的帶寬，每個(gè)設(shè)備與限定范圍的波長(zhǎng)帶寬相互作用； 探測(cè)器，用于從波長(zhǎng)特定設(shè)備的所述至少一個(gè)陣列接收與所述陣列相互作用之后的光; 頻譜分析儀，適配于根據(jù)所述接收的光確定與所述至少一個(gè)陣列中的設(shè)備的所述相互作用相關(guān)聯(lián)的信號(hào)特征。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中提供波長(zhǎng)特定設(shè)備的多個(gè)所述陣列，每個(gè)陣列從所述輸出并行地接收所述干涉圖，并且提供多個(gè)探測(cè)器，使得來(lái)自每個(gè)陣列的光被引導(dǎo)到不同的探測(cè)器。
3.如權(quán)利要求I或2所述的裝置，其中所述設(shè)備是串聯(lián)連接的波長(zhǎng)特定反射器，所述波長(zhǎng)特定反射器各自反射窄帶波長(zhǎng)，同時(shí)允許該帶之外的波長(zhǎng)穿過(guò)。
4.如權(quán)利要求I或2所述的裝置，其中所述設(shè)備是串聯(lián)連接的波長(zhǎng)特定濾波器，所述波長(zhǎng)特定濾波器各自攔截和濾出波長(zhǎng)的第一個(gè)集合，同時(shí)允許此第一個(gè)集合之外的波長(zhǎng)穿過(guò)。
5.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中至少兩個(gè)所述陣列各自包含在相同波長(zhǎng)處與光相互作用的波長(zhǎng)特定設(shè)備。
6.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述多個(gè)陣列由一系列耦合器連接到所述干涉儀輸出，每個(gè)耦合器將接收的干涉圖的第一部分傳輸?shù)剿鲫嚵兄嘘P(guān)聯(lián)的一個(gè)陣列，并且將接收的干涉圖的第二部分傳輸?shù)剿鲴詈掀髦械南乱粋€(gè)。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述第一部分表示在所述定向耦合器處接收的功率的1%到20%，并且所述第二部分表示在所述定向耦合器處接收的功率的80%到99%。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述第一部分從2%到10%，并且所述第二部分從90%到98%，更優(yōu)選地，所述第一部分從3%到8%，并且所述第二部分從92%到97%，最優(yōu)選地，所述第一部分為大約5%，并且所述第二部分為大約95%。
9.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中提供多個(gè)隔離器，用于阻止信號(hào)從所述陣列朝向所述干涉儀以及之前陣列的檢測(cè)系統(tǒng)的反向傳播。
10.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中提供基準(zhǔn)設(shè)備來(lái)接收所述干涉圖并與所述干涉圖相互作用，所述基準(zhǔn)設(shè)備連接到探測(cè)器，使得能夠參照所述基準(zhǔn)設(shè)備的響應(yīng)來(lái)校準(zhǔn)所述干涉圖。
11.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述頻譜分析儀包括處理器，其被編程為對(duì)所檢測(cè)的信號(hào)執(zhí)行數(shù)學(xué)分析，所述數(shù)學(xué)分析優(yōu)選為傅里葉變換。
12.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中提供波長(zhǎng)特定設(shè)備的多個(gè)所述陣列，來(lái)自每個(gè)陣列的信號(hào)經(jīng)由不同信道傳輸?shù)剿鲱l譜分析儀，用于信號(hào)分析。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述頻譜分析儀包括相同或不同的處理器，其被編程為對(duì)所檢測(cè)的信號(hào)執(zhí)行希爾伯特變換，以校準(zhǔn)與所述干涉儀的時(shí)間掃描關(guān)聯(lián)的頻譜內(nèi)容。
14.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中陣列內(nèi)的每個(gè)設(shè)備在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)響應(yīng)于光。
15.一種詢(xún)問(wèn)波長(zhǎng)特定設(shè)備的方法，包括下列步驟 從用寬帶光源照明的干涉儀生成低相干時(shí)間干涉圖； 將所述干涉圖提供到彼此串聯(lián)地連接的波長(zhǎng)特定設(shè)備的至少一個(gè)陣列的輸入，其中相對(duì)于所述寬帶光源的帶寬，每個(gè)設(shè)備與限定范圍的波長(zhǎng)帶寬相互作用； 從波長(zhǎng)特定設(shè)備的所述至少一個(gè)陣列接收與所述陣列相互作用之后的光； 根據(jù)所述接收的光確定與所述至少一個(gè)陣列中的設(shè)備的所述相互作用相關(guān)聯(lián)的信號(hào) 特征。
全文摘要
用于詢(xún)問(wèn)波長(zhǎng)特定設(shè)備的裝置具有寬帶光源以照明提供低相干時(shí)間干涉圖的干涉儀。諸如彼此串聯(lián)地連接的光纖布拉格光柵的波長(zhǎng)特定設(shè)備的至少一個(gè)陣列接收所述干涉圖，使得相對(duì)于所述寬帶光源的帶寬，每個(gè)設(shè)備與限定范圍的波長(zhǎng)帶寬相互作用。因此，代替用已經(jīng)各自在其自身特征波長(zhǎng)處與寬帶光源相互作用的設(shè)備的陣列的輸出照明干涉儀，將干涉儀用于調(diào)制來(lái)自寬帶源的輸出，以產(chǎn)生低相干干涉圖。接著，設(shè)備的陣列從這個(gè)低相干干涉圖提取或?yàn)V出更高相干的干涉圖。
文檔編號(hào)G01D5/353GK102762959SQ201080064275
公開(kāi)日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2010年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者K.奧馬霍尼 申請(qǐng)人:沃特福德技術(shù)學(xué)院