專利名稱：用于物理量的空間分辨的測量的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1前序部分的用于物理量的空間分辨的測量的方法以及一種根據(jù)權(quán)利要求8前序部分的用于物理量的空間分辨的測量的設備。
背景技術：
定義光頻域反射計，英語中也被稱為Optical Frequency Domain Reflectometry (OFDR)，在下文中稱為OFDR方法。適于實施直接數(shù)字合成(DDQ的設備或集成電路或系統(tǒng)在下文中被稱為DDS系統(tǒng)。當下文中使用概念光，光發(fā)射或光信號時，其意味著光頻譜范圍，特別是從XUV到FIR的光頻譜范圍內(nèi)的電磁輻射。在玻璃纖維中分布式溫度測量(分布式溫度傳感-DTQ時，借助OFDR方法并在大量其它應用中存在快速低噪音地測量光信號或電信號的振幅或相位的任務。這對分布式溫度測量的時間和溫度分解非常重要。1999年1月的西門子賽普洛斯部門W458e版本1. 2e的“系統(tǒng)說明書纖維激光器 II”中公開了本申請開始部分所述方式的方法和設備。其中描述的設備包括用于產(chǎn)生信號頻率和振蕩器頻率的頻率發(fā)生器，所述振蕩器頻率與所述信號頻率的區(qū)別在于固定的差頻。激光器的光發(fā)射利用信號頻率被頻率調(diào)制并聯(lián)接到光導纖維中?；诶聪蛏⑸涞墓獍l(fā)射部分從纖維斷開聯(lián)接并由光電倍增器轉(zhuǎn)換為電信號。所述部分與局部振蕩器頻率混合并模擬濾波。隨后所述部分被數(shù)字化并在局部范圍內(nèi)進行傅里葉變換。如此獲得的基于拉曼效應產(chǎn)生的信號的反向散射剖面構(gòu)成溫度計算的基礎。這種測量系統(tǒng)表示所謂的外差接收器，其中信號頻率與局部振蕩器頻率混合，以獲得固定的差頻。它可以以窄帶的形式放大并濾波。但是在模擬系統(tǒng)中通過部件公差和部件漂移為該濾波設置邊界。此外窄帶濾波器需要更長的沖擊時間，其中振幅和相位被濾波器影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種本申請開始部分所述方式的方法和設備， 該方法和設備使得能夠?qū)崿F(xiàn)快速和/或更低噪音的物理量測量。根據(jù)本發(fā)明，該技術問題在方法方面通過本申請開始部分所述的具有權(quán)利要求1 的特征的方法解決以及在設備方面通過本申請開始部分所述的具有權(quán)利要求8的特征的設備解決。從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的優(yōu)選設計方案。權(quán)利要求1規(guī)定，產(chǎn)生具有第三頻率的第三電信號，其中第三頻率對應于差頻或差頻的倍數(shù)，并且為數(shù)字化，以第三頻率掃描混合信號。相應地，權(quán)利要求8規(guī)定，所述設備還包括產(chǎn)生具有第三頻率的第三電信號的裝置，其中第三頻率對應于差頻或差頻的倍數(shù)， 并且其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以第三頻率掃描至少一個混合信號，以將其數(shù)字化。通過這種方式可以使用數(shù)字而非模擬濾波器，從而可以更好地降低噪音和/或更快地測量光信號的振幅和相位。
可以規(guī)定，第一和/或第二和/或第三電信號借助直接數(shù)字合成產(chǎn)生。相應地，還可以規(guī)定，用于產(chǎn)生第一電信號的裝置是第一 DDS系統(tǒng)和/或用于產(chǎn)生第二電信號的裝置是第二 DDS系統(tǒng)和/或所述用于產(chǎn)生第三電信號的裝置是第三DDS系統(tǒng)。通過使用用于產(chǎn)生所述三個電信號的DDS系統(tǒng)可以完成向數(shù)字技術的轉(zhuǎn)變。在此優(yōu)選的是為直接數(shù)字化合成第一和/或第二和/或第三電信號可以使用時鐘信號，其中特別為直接數(shù)字化合成第一和/或第二和/或第三電信號使用相同的時鐘信號。 相應地，可以規(guī)定所述設備此外還包括時鐘發(fā)生器，該時鐘發(fā)生器可以為第一 DDS系統(tǒng)和/ 或第二 DDS系統(tǒng)和/或第三DDS系統(tǒng)加載時鐘信號。將所述三個DDS系統(tǒng)聯(lián)接到時鐘信號導致，例如在0. 12Hz的DDS分解范圍內(nèi)，待數(shù)字化信號的精確數(shù)字掃描。在此具有優(yōu)點的是，頻率計算可以借助數(shù)字語言，從而不會由于換算到實有數(shù)字而出現(xiàn)圓整誤差。時鐘信號的漂移對全部三個DDS系統(tǒng)產(chǎn)生相同的影響，從而可以達到確切的掃描頻率。通過頻率產(chǎn)生和頻率掃描這個概念，使用新的數(shù)字濾波器技術成為可能。數(shù)字濾波器不需要沖擊時間。在構(gòu)造中放棄窄帶模擬濾波器。通過精確的掃描， 可以利用更窄帶的探測實現(xiàn)比利用模擬技術更高的差頻。


本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點借助下面優(yōu)選實施例的描述參考附圖示出。其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的設備的第一實施方式的示意圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的設備的第二實施方式的示意圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的設備的第三實施方式的示意圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的設備的第四實施方式的示意圖。
具體實施例方式附圖中相同或功能相同的信號，元件或單元具有相同的附圖標記。圖1中示出的第一實施方式包括第一 DDS系統(tǒng)1，第二 DDS系統(tǒng)2和第三DDS系統(tǒng) 3作為用于產(chǎn)生電信號的裝置。該設備還包括給出時鐘信號(CLK) 5的時鐘發(fā)生器4。三個 DDS系統(tǒng)1，2，3各自使用相同的時鐘信號5。第一 DDS系統(tǒng)1產(chǎn)生具有隨時間變化的第一頻率fKF(t)的隨時間變化的第一電信號6。第二 DDS系統(tǒng)2產(chǎn)生具有隨時間變化的第二頻率的隨著時間變化的第二電信號7。第二頻率ua)與第一頻率fKFa)相差固定的不隨時間變化的差頻fZF。第三DDS系統(tǒng)3產(chǎn)生具有隨時間變化的第三頻率的隨時間變化的第三電信號8，該
頻率對應于差頻fZF和系數(shù)2N的積。在此N = 0，l，2.......N的優(yōu)選值例如是2，3，4或
5，從而第三頻率等于四倍，八倍，十六倍或三十二倍的差頻fZF。在此具有優(yōu)點的是，三個頻率fKF(t)， ·ωα)和fZF的計算借助于數(shù)字語言進行，從而不會由于換算到實有數(shù)字而出現(xiàn)圓整誤差。時鐘信號5的漂移對所有三個DDS系統(tǒng)1，2， 3具有相同的影響，也就是說，相關的頻率變化是相等的。附圖標記9表示僅示意示出的測量設備部分，該測量設備除用于產(chǎn)生光信號的光發(fā)射源以外還包括測量對象例如光導纖維和光電探測器。利用第一信號6振幅調(diào)制或頻率調(diào)制光信號。在此該調(diào)制例如可以通過相應觸發(fā)例如構(gòu)成為激光器的光發(fā)射源得以實現(xiàn)?？蛇x的是，由光發(fā)射源形成的光信號也可以由光調(diào)制器進行調(diào)制。調(diào)制的光信號可以聯(lián)接到測量對象中并在與該測量對象的交互作用之后與該測量對象斷開聯(lián)接。用于使得能夠?qū)崿F(xiàn)交互作用的相應裝置例如可以包括耦合器，去耦器，光束分離器和濾波器。隨后在光電探測器中基于交互作用修改的光信號被轉(zhuǎn)換為至少一個電信號10。在此，為此使用的轉(zhuǎn)換器裝置例如可以構(gòu)成為光電倍增器，光電二極管或其它傳感器裝置。由測量設備9形成的電信號10在混合器11中與第二信號7混合。在此，混合信號12精確具有差頻fZF，其中通過與測量對象的交互作用產(chǎn)生的測量信息包括在混合信號 12的振幅和相位中?；旌闲盘?2在模數(shù)轉(zhuǎn)換器13中被數(shù)字化。在此，混合信號12利用第三電信號8 的第三頻率掃描?；谌齻€DDS系統(tǒng)1，2，3中的每個處的相同時鐘信號5總是精確達到期望的掃描頻率。數(shù)字化信號可以利用數(shù)字濾波器14濾波。在隨后設置的分析裝置15中可以分析濾波數(shù)據(jù)，從而可以確定待獲取的物理量的空間分辨的測量數(shù)據(jù)。在根據(jù)圖2的本發(fā)明設備的第二實施方式中，借助OFDR方法精確實施光導纖維中的分布式溫度測量(DTS)。圖2中特別具體示出了測量設備。這個測量設備包括激光器16，該激光器16利用第一電信號6的第一頻率fKF(t)進行頻率調(diào)制或振幅調(diào)制。在此，該調(diào)制例如可以通過激光器16的相應觸發(fā)得以實現(xiàn)。可選的是，由激光器16形成的光信號17也可以由光調(diào)制器進行調(diào)制?？隙ù嬖谶@種可能性，即取代激光器16而使用另一光發(fā)射源例如放大自發(fā)輻射
二極管。光纖維18用作測量對象，其中特別應該空間分辨地獲取溫度。附圖標記19表示的是用于使得能夠?qū)崿F(xiàn)與光纖維18的交互作用的裝置。這個裝置19例如可以包括耦合器， 去耦器，光束分離器和濾波器。裝置19包括用于光信號20a，20b，20c的三個輸出?？隙ù嬖诙嘤谌齻€輸出的可能性，其中第四輸出例如可以用于反向散射的瑞利部分。第一光信號20a對應于由激光器 16形成的首要光信號17并可以由這個首要光信號例如通過光束分離器分叉。第二光信號20b通過拉曼交互作用利用光纖維在光波長方面修改并對應于反向散射發(fā)射的斯托克斯部分。為了分叉這個斯托克斯部分，裝置19可以具有相應的濾波器。第三光信號20c同樣通過拉曼交互作用利用光纖維在光波長方面修改并對應于反向散射發(fā)射的反斯托克斯部分。為了分叉這個反斯托克斯部分，裝置19同樣可以具有相應的濾波器。光信號20a，20b, 20c在合適的轉(zhuǎn)換器裝置21a，21b，21c中被轉(zhuǎn)換為電信號10a， 10b，10c。轉(zhuǎn)換器裝置21a，21b，21c另外例如可以包括光電倍增器，光電二極管，雪崩光電二極管或其它合適的傳感器裝置并在需要時包括電放大器。由轉(zhuǎn)換器裝置21a，21b，21c形成的電信號10a，10b，IOc各自在混合器11a，11b， lie中與第二信號7混合。在此，通過該混合產(chǎn)生的混合信號1 具有對應于差頻fZF的頻率。在此，通過該混合產(chǎn)生的混合信號12b，12c精確具有差頻fZF，并在信號振幅和信號相位中包括通過與測量對象的拉曼交互作用產(chǎn)生的信息?；旌闲盘?2a，12b，12c各自在AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器13，13b，13c中數(shù)字化。在此每個混合信號12a，12b，12c利用第三電信號8的第三頻率掃描。基于三個DDS系統(tǒng)1，2，3中的每個處的相同時鐘信號5總是精確達到期望的掃描頻率。濾波在共同后連接的數(shù)字濾波器14中完成，該濾波器可以對應于第一實施方式的數(shù)字濾波器14。在隨后設置的分析裝置15中可以分析濾波數(shù)據(jù)并特別進行傅里葉變換， 從而可以確定待獲取的物理量的空間分辨的測量數(shù)據(jù)。根據(jù)圖3的第三實施方式與根據(jù)圖2的實施方式之間的區(qū)別基本在于，激光器16 不直接利用第一電信號6的第一頻率fKF(t)進行調(diào)制，而是使用用于調(diào)制由激光器16形成的光發(fā)射23的第一光調(diào)制器22。由第一光調(diào)制器22形成的光信號17通過裝置19聯(lián)接到光纖維18中。在三個已經(jīng)參考圖2描述的由裝置19形成的光信號20a，20b, 20c以外，在第三實施方式中還由裝置19形成另一光信號20d。這個光信號例如可以涉及光發(fā)射的反向散射瑞利部分?？隙ù嬖谶@種可能性，即也可以在第三實施方式中只設置三個形成的光信號20a， 20b，20c。此外也可以在第二實施方式中規(guī)定一起獲取第四個形成的信號20d。此外還設置第二光調(diào)制器對，其中利用第二頻率f^(t)調(diào)制激光器16的光發(fā)射 23的部分。由第二光調(diào)制器M形成的光信號25與光信號20a，20b, 20c, 20d光混合或者聯(lián)接到這些光信號中。這些混合光信號^a，26b, 26c, 26d在合適的轉(zhuǎn)換器裝置21a，21b，21c，21d中被轉(zhuǎn)換為電信號12a，12b，12c，12d。在此，與第二實施例中相同，信號1 具有對應于差頻fZF的頻率。在此，信號12b，12c，12d此外還精確具有差頻fZF，并在信號振幅和信號相位中包括通過與測量對象的拉曼交互作用產(chǎn)生的信息。同樣地，與第二實施方式中相同，混合信號1 ，12b，12c，12d各自在AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器13a，13b，13c, 13d中數(shù)字化。在此每個混合信號12a，12b，12c, 12d都利用第三電信號8 的第三頻率掃描。基于三個DDS系統(tǒng)1，2，3中的每個處的相同時鐘信號5總是精確達到期望的掃描頻率。第四實施方式(圖4)與第三實施方式(圖3)的區(qū)別并不重要。由第一光調(diào)制器 22形成的光信號17通過環(huán)行器27聯(lián)接到光纖維18中。由光纖維18形成的信號通過環(huán)行器到達第二光調(diào)制器M。此處利用第二頻率fM(t)完成額外的調(diào)制，從而由第二光調(diào)制器 24形成的光信號觀利用差頻fZF調(diào)制。這個信號觀進入用于光束分離和濾波的裝置四，在該裝置中所述信號被濾波并在此被分開到單個管道中，從而由裝置四形成光信號^aJ6bJ6cJ6d。這些信號與第二和第三實施例中相同得到進一步處理。肯定存在這種可能性，即在該實施方式中只設置三個形成的光信號^aJ6bJ6c。 此外也可以在第二和第三實施方式中使用相應的部件，例如環(huán)行器27。
權(quán)利要求
1.一種用于空間分辨地測量物理量的方法，包括下列方法步驟 -產(chǎn)生具有隨時間變化的第一頻率(fKF(t))的第一電信號(6)，-產(chǎn)生具有隨時間變化的第二頻率(fV。(t))的第二電信號(7)，該第二頻率與所述第一頻率(fEF(t))相差差頻(fZF)，-產(chǎn)生光信號(17)并利用所述第一頻率(fKF(t))對該光信號調(diào)制， -該光信號(17)通過與測量對象的交互作用而被修改，其中所述修改包括關于要空間分辨地測量的物理量的信息，-修改后的光信號(20a, 20b, 20c, 20d)被轉(zhuǎn)換為至少一個電信號(10,10a, 10b, IOc) 中，其中-所述修改后的光信號(20a，20b，20c，20d)在所述轉(zhuǎn)換之前利用所述第二頻率 (fL0(t))被調(diào)制，或者-所述修改后的光信號(20a，20b，20c，20d)在所述轉(zhuǎn)換之前與利用所述第二頻率 (fL0(t))調(diào)制的信號(25)混合，或者-所述至少一個電信號(10，10a，10b，IOc)與所述第二電信號(7)混合， -混合的信號(12,12a, 12b, 12c, 12d)被數(shù)字化， -根據(jù)數(shù)字化的數(shù)據(jù)空間分辨地確定要測量的物理量， 其特征在于，-產(chǎn)生具有第三頻率第三電信號(8)，其中所述第三頻率對應于所述差頻(fZF)或?qū)谒霾铑l(fZF)的倍數(shù)，并且-以所述第三頻率掃描所述混合的信號(12，12a，12b，12c，12d)以進行數(shù)字化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三頻率是所述差頻(fZF)和系數(shù)2N 的乘積，其中N = 0，1，2.......
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一電信號(6)和/或所述第二電信號(7)和/或所述第三電信號(8)借助直接數(shù)字合成產(chǎn)生。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，為直接數(shù)字合成所述第一電信號(6)和/ 或所述第二電信號(7)和/或所述第三電信號⑶使用時鐘信號(5)，其中特別地，為直接數(shù)字合成所述第一電信號(6)和所述第二電信號(7)和所述第三電信號(8)使用相同的時鐘信號(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述第三頻率對應于所述差頻 (fZF)的倍數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述方法是頻域方法，特別是 OFDR方法。
7.一種用于空間分辨地測量物理量的設備，特別是適于實施根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的方法的設備，包括-用于產(chǎn)生具有隨時間變化的第一頻率(fKF(t))的第一電信號(6)的裝置， -用于產(chǎn)生具有隨時間變化的第二頻率(‘(t))的第二電信號(7)的裝置，該第二頻率與所述第一頻率(fKF(t))相差差頻(fZF)，-光發(fā)射源，特別是激光器(16)，用于產(chǎn)生光信號(17)，該光信號能被觸發(fā)為使得或其輸出信號能被調(diào)制為使得能產(chǎn)生利用所述第一頻率(fKF(t))調(diào)制的光信號(17)，-用于使得能夠?qū)崿F(xiàn)所述光信號(17)與測量對象的交互作用的裝置(19)，其中該光信號(17)能通過與關于要空間分辨地測量的物理量的信息交互作用而被修改，-轉(zhuǎn)換器裝置Ola，21b，21c，21d)，該轉(zhuǎn)換器裝置能將修改后的光信號(20a，20b，20c， 20d)轉(zhuǎn)換為至少一個電信號(10，10a，10b，10c)，-混合和/或調(diào)制裝置，該混合和/或調(diào)制裝置-能在所述轉(zhuǎn)換之前利用所述第二頻率(f^(t))調(diào)制所述修改后的光信號(20a，20b， 20c，20d)，或者-能在所述轉(zhuǎn)換之前將所述修改后的光信號(20a，20b，20c，20d)與利用所述第二頻率 (fL0(t))調(diào)制的信號(25)混合，或者-能將來自所述轉(zhuǎn)換的至少一個電信號(10，10a，10b，IOc)與所述第二電信號(7)混I=I，-用于數(shù)字化至少一個混合的信號(12，12a，12b，12c，12d)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(13，13a， 13b,13c)，-分析裝置(15)，用于由數(shù)字化的數(shù)據(jù)空間分辨地確定要測量的物理量，其特征在于，所述設備此外還包括用于產(chǎn)生具有第三頻率的第三電信號(8)的裝置，其中所述第三頻率對應于所述差頻(fZF)或?qū)谒霾铑l(fZF)的倍數(shù)，并且該數(shù)模轉(zhuǎn)換器(13，13a， 13b, 13c)能以所述第三頻率掃描所述至少一個混合的信號(12，12a，12b，12c)以將其數(shù)字化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設備，其特征在于，所述用于產(chǎn)生具有隨時間變化的第一頻率(fKF(t))的第一電信號(6)的裝置是第一直接數(shù)字合成系統(tǒng)(1)和/或所述用于產(chǎn)生具有隨時間變化的第二頻率(fM(t))的第二電信號(7)的裝置是第二直接數(shù)字合成系統(tǒng)(2) 和/或所述用于產(chǎn)生具有第三頻率的第三電信號(8)的裝置是第三直接數(shù)字合成系統(tǒng)(3)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設備，其特征在于，所述設備此外還包括時鐘發(fā)生器，該時鐘發(fā)生器能為所述第一直接數(shù)字合成系統(tǒng)(1)和/或所述第二直接數(shù)字合成系統(tǒng)(2)和 /或所述第三直接數(shù)字合成系統(tǒng)( 加載時鐘信號(5)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9之一所述的設備，其特征在于，所述測量對象是光纖維(18)， 所述設備優(yōu)選包括所述光纖維，其中要空間分辨地測量的物理量尤其是所述光纖維(18) 的局部溫度。
全文摘要
用于物理量的空間分辨的測量的設備，包括用于產(chǎn)生具有第一頻率的第一電信號(6)和具有第二頻率的第二電信號(7)的裝置，第二頻率與第一頻率的區(qū)別在于差頻，用于產(chǎn)生利用第一頻率調(diào)制的光信號的光發(fā)射源，該光信號可以與測量對象交互作用并在此被修改，可以混合來自光信號的電信號(10)和第二信號(7)的混合器(11)，用于數(shù)字化至少一個混合信號(12)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(13)，以及此外特別構(gòu)成為DDS系統(tǒng)(3)的用于產(chǎn)生具有第三頻率的第三電信號(8)的裝置，其中該第三頻率對應于差頻或差頻的倍數(shù)，并且其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器(13)可以掃描具有第三頻率的混合信號(12)，以將其數(shù)字化。
文檔編號G01K11/32GK102331313SQ20111021455
公開日2012年1月25日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月17日
發(fā)明者I·羅達, J·屈布勒, M·弗羅梅, W·希爾 申請人:Lios技術有限公司