在干涉型传感系统中运动补偿的方法及装置制造方法及图纸

光学解调系统例如基于OFDR的系统测量经受时变干扰的传感光波导的折射率的局部变化。为一定长度的传感光波导检测的干涉测量信号被变换到谱域。从变换的干涉测量数据集确定时变信号。从时变信号确定补偿信号，该补偿信号用于为干涉测量数据集补偿时变干扰。通过使用求平均和应变补偿实现进一步的鲁棒性。该补偿技术可以沿光波导的长度被应用。

Method and apparatus for motion compensation in interferometric sensing system

Optical demodulation systems, such as OFDR based systems, measure local variations in the refractive index of a sensing optical waveguide subjected to time-varying disturbances. Interferometric signals detected for a certain length of sensing optical waveguide are transformed into the spectral domain. Time varying signals are determined from transformed interferometric data sets. A compensation signal is determined from the time-varying signal, which compensates for time-varying interference for the interferometric data set. Further robustness is achieved by using averaging and strain compensation. The compensation technique can be applied along the length of the optical waveguide.

【技术实现步骤摘要】
在干涉型传感系统中运动补偿的方法及装置本申请是于2012年12月03日提交的名称为“在干涉型传感系统中运动补偿的方法及装置”的中国专利申请201280068990.1的分案申请。本申请要求2011年12月5日提交的美国临时专利申请序列号61/566,860和2012年3月23日提交的美国临时专利申请序列号61/614,662的优先权，这些申请的内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及干涉型传感应用。一种示例应用为光频域反射计(OFDR)传感应用。
技术介绍
光频域反射计(OFDR)已经证明是在光纤中以高空间分辨率来测量应变的有效系统。例如，参见美国专利6545760、6566648、5798521和7538883。该高分辨率性能已经被证明在形状传感应用中非常有用。例如，参见美国专利7772541、7781724和美国专利申请20110109898。在美国专利申请20110247427中描述了在单芯光纤中的简单的应变传感应用。OFDR通过在激光调谐的宽频率范围内获取数据来实现高空间分辨率。在大多数应用中，该调谐随着激光在一定频率范围内进行扫频而发生。在使用该技术时，假设在扫频的时间期间测试光纤是静态的或者无变化的。然而，如果在激光扫频的时间期间正在被测量的系统发生变化，那么所得到的测量结果可能质量降低。此类改变可以归因于测试光纤的移动或者连接测试光纤与仪器的光纤引线的移动。在存在时变变化里实现更高质量的测量将是可取的。
技术实现思路
示例的实施例包括用于测量经受时变干扰的传感光波导的参数的方法及光学解调/询问(interrogation)系统。示例的时变干扰是传感光波导的运动。光学解调系统包括光学干涉解调器和光学检测电路，该光学检测电路耦合到光学干涉解调器，用于为一定长度的传感光波导检测光学干涉测量信号。数据处理电路接收来自光学检测电路的干涉测量信号，并且产生该一定长度的传感光波导的干涉测量数据集。该干涉测量数据集被变换到谱域，并且从变换的干涉测量数据集确定时变信号。补偿信号从时变信号确定，并且该补偿信号被用于为干涉测量数据集补偿时域干扰，以提高参数的测量。在一个示例实施方式中，光学解调系统是基于光频域反射的系统，该系统包括解调光源，并且其中光学干涉测量信号表示沿传感光波导作为时间的函数的背散射幅度。在非限制实施例中，处理电路通过将干涉测量数据集与干涉参考数据集进行比较来确定时变信号。为干涉测量数据集中的反射事件确定干涉测量数据集，并且接收到的干涉数据在反射事件周围被加窗。时变信号可以是相位信号，在此情况下，数据处理电路被配置成通过展开(unwrap)相位信号而从变换的干涉测量数据集中提取相位信号，并且通过从展开的相位信号去除线性拟合确定描述对传感器的干扰的非线性信号。在该示例中，非线性信号是补偿信号。然后，数据处理电路可以从干涉测量数据集减去非线性信号，以便为干涉测量数据集补偿时变干扰。在另外的示例的实施例中，时变信号是相位信号，数据处理电路被配置成通过与谱域中的基线数据比较而从谱域中的变换的干涉测量数据中提取相位信号。在其他的示例实施例中，数据处理电路被配置成：将干涉测量数据集分为多个测量数据段；变换每个段；将变换的测量段的多个与对应的参考谱数据段结合；对结合的段求平均；从平均的段中确定相位响应；以及基于相位响应确定时变信号。此外，数据处理电路可以被配置成确定施加于测量数据段的应变，其中该应变表明在相邻的测量数据段的响应之间的未对准的量，并且使用测量的应变来对准谱域中的测量数据段的响应。在另外的示例实施例中，数据处理电路被配置成比较谱域中的每个数据段与对应的参考数据段；确定时间延迟，该时间延迟表明在时域中的参考数据段与数据段之间的未对准的量；以及使用测量的时间延迟对准时域中的参考数据段和数据段。在传感光波导为光纤的示例中，其中数据处理电路可以被配置成为干涉测量数据集补偿在光纤上的应变。在优选的但仍然为示例性的实施例中，数据处理电路被配置成确定沿着传感光波导的运动、时间延迟以及应变，并且补偿沿着传感光波导的累积运动、时间不对准以及应变。附图说明图1是基于光频域反射计(OFDR)的传感系统的非限制示例，其中传感器经历时变干扰。图2使用OFDR系统的非限制的、示例的分布式测量过程的流程图。图3是使用OFDR测量的理想的单反射峰的理论幅度与光学延迟的图。图4是被展开(unwrapped)后的显示线性相位响应的图3所示的相位的图。图5是来自单个反射器的幅度与延迟的图，在单个反射器中在获取扫频期间相位已因一些时变变化而产生失真。图6是图5所示的失真峰的相位与光频的图。图7是示出在点A处测量的校正能够为所有后续点校正在测量点A和仪器之间的受干扰的非限制性示例图。图8是来自两个反射事件的幅度与延迟的图，在两个反射事件中两个峰在光频域中都因一些时变相位而发生失真。图9是在图8中索引50处反射峰的周围加窗的图。图10示出在图9中仅描述第一反射峰的信息的窗口。图11描绘了从图10中的加窗数据的傅里叶变换计算的相位失真。图12是以灰色描绘在延迟域中的原始的失真的反射峰以及以黑色描绘数据已通过使用相位校正而被校正的峰的图表。图13是在OFDR测量中用于提取和随后校正时变信号的非限制性示例过程的流程图。图14是用于在参考OFDR数据集和测量OFDR数据集之间的谱域中提取时变相位响应和对其求平均的非限制的示例过程的流程图。图15图示模拟散射幅度与延迟的示例的图。图16图示被施加到散射数据的示例的相位失真的图。图17是以黑色迹线示出原始的散射幅度与散射模式的延迟以及以灰色迹线示出在频率域中已因图16的相位失真而产生失真之后的散射幅度的图。图18是从散射模式的单个延迟域段计算的谱相位失真的图。图19是与施加的相位失真(灰色)相比较通过对谱域中每个段的复数数据求平均而计算出的相位失真与频率的图。图20将插值计算的相位失真与原始的施加的相位失真进行对比。图21示出了原始的散射模式和校正的散射模式的幅度。图22描绘了施加于光纤引线的4种不同振动的相位失真与光频。图23描绘了在具有和不具有振动校正的情况下以300HZ振动光纤之后沿传感光纤所计算的应变。图24描绘了将光纤覆盖在电风扇上的情况下沿传感光纤所计算的应变。图25描绘了作为一定长度的无应变的光纤的波长的函数为多个部分所计算的失真。图26示出与原始施加的相位失真相比较通过对图30中所示的数据求平均而计算的相位失真。图27示出作为一定长度的应变的光纤的波长的函数为多个部分所计算的相位失真。图28示出作为一定长度的应变的光纤的波长的函数为多个部分所计算的相位失真，其中已为每段校正施加的应变。图29是示出去除在用于提取运动校正信号的段上的均匀轴向应变的作用的示例步骤的流程图。图30是相位与延迟的图，其示出在延迟域中的参考与测量结果之间的复数相乘的提取幅角(argument)如何提供由于施加到测量的应变而产生的光延迟变化的测量。图31是相位与延迟的图，其示出从参考和校正的测量结果之间的复数相乘的幅角所提取的光学延迟响应。图32图示了示例性反馈过程，其可以沿着一定长度的光纤执行，其中为该一定长度的光纤校正在参考和测量段之间的累积的振动、累积的应变以及延迟失配。具体实施方式下列描述出于解释而非本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学解调系统，包括：光学干涉解调器；光学检测电路，其被耦合到所述光学干涉解调器，用于检测一定长度的传感光波导的光学干涉测量信号；和数据处理电路，其被配置成：从所述光学检测电路接收所述光学干涉测量信号，基于所述光学干涉测量信号产生干涉测量段数据，所述干涉测量段数据对应于沿所述传感光波导的长度的所述传感光波导的段；将所述干涉测量段数据变换到谱域；通过比较变换的干涉测量段数据与基线参考干涉测量数据来确定补偿信号；使用所述补偿信号为所述干涉测量段数据的至少一部分补偿时变干扰。

【技术特征摘要】
2011.12.05 US 61/566,860;2012.03.23 US 61/614,6621.一种光学解调系统，包括：光学干涉解调器；光学检测电路，其被耦合到所述光学干涉解调器，用于检测一定长度的传感光波导的光学干涉测量信号；和数据处理电路，其被配置成：从所述光学检测电路接收所述光学干涉测量信号，基于所述光学干涉测量信号产生干涉测量段数据，所述干涉测量段数据对应于沿所述传感光波导的长度的所述传感光波导的段；将所述干涉测量段数据变换到谱域；通过比较变换的干涉测量段数据与基线参考干涉测量数据来确定补偿信号；使用所述补偿信号为所述干涉测量段数据的至少一部分补偿时变干扰。2.根据权利要求1所述的光学解调系统，其中所述光学干涉解调器包括用来产生所述光学干涉测量信号的单个光学干涉仪。3.根据权利要求1所述的光学解调系统，其中所述干涉测量段数据的所述至少一部分对应于与所述时变干扰所源自的沿所述传感光波导的位置不同的沿所述传感光波导的位置。4.根据权利要求1所述的光学解调系统，其中所述光学解调系统是包括解调光源的基于光频域反射即OFDR的系统，并且其中所述光学干涉测量信号表示沿所述传感光波导的作为时间的函数的背散射幅度。5.根据权利要求1所述的光学解调系统，其中所述补偿信号是相位信号，并且其中所述数据处理电路被配置成：从所述变换的干涉测量段数据提取所述相位信号；以及通过从提取的相位信号去除线性拟合来确定描述对所述传感光波导的所述时变干扰的非线性信号，其中所述非线性信号是所述补偿信号。6.根据权利要求5所述的光学解调系统，其中所述数据处理电路被配置成从所述干涉测量段数据中减去所述非线性信号，以便为所述干涉测量段数据的所述至少一部分补偿所述时变干扰。7.根据权利要求1所述的光学解调系统，其中所述补偿信号是相位信号，并且其中所述数据处理电路被配置成：使用在所述谱域中的所述基线参考干涉测量数据，从所述谱域中的所述变换的干涉测量段数据中提取所述相位信号。8.根据权利要求1所述的光学解调系统，其中所述数据处理电路被配置成：将所述干涉测量段数据分成多个数据段；将所述多个数据段中的每个变换到所述谱域；在所述谱域中将多个变换的数据段与对应的基线参考数据段结合以产生结合的数据段，所述对应的基线参考数据段来自所述基线参考干涉测量数据；对所述结合的数据段求平均；根据被平均的结合的数据段确定相位响应；以及基于所述相位响应确定对应于所述时变干扰的时变信号。9.根据权利要求1所述的光学解调系统，其中所述数据处理电路被配置成：将所述干涉测量段数据分成多个数据段，以及确定与所述多个数据段中的每个相关联的应变，以及使用与所述多个数据段中的每个相关联的所述应变确定所述补偿信号。10.根据权利要求1所述的光学解调系统，其中所述数据处理电路被配置成：将所述干涉测量段数据分成多个数据段；将所述多个数据段中的每个数据段与来自所述基线参考干涉测量数据的对应的基线参考数据段进行比较；确定时间延迟，所述时间延迟表示时域中的所述对应的基线参考数据段与所述多个数据段之间的未对准的量；以及使用所述时间延迟来对准所述时域中的所述对应的基线参考数据段与所述多个数据段。11.根据权利要求1所述的光学解调系统，其中所述传感光波导是光纤，并且其中所述数据处理电路被配置成：为所述干涉测量段数据补偿所...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·E·佛罗凯特，A·K·桑，D·K·吉福德，J·W·克莱因，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：美国,US