用于OFDR解调仪监测和优化的方法和装置制造方法及图纸

示例实施例将光学放大器添加到多通道连续扫频OFDR测量系统，在上升和下降激光器扫频之间调节放大的扫频的激光器输出功率，和/或利用其中通常不执行OFDR测量的激光器扫频的部分以增强OFDR测量系统的完整性，提高OFDR测量的性能和质量，并执行附加的测量和测试。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于OFDR解调仪监测和优化的方法和装置本申请要求2016年6月29日提交的题为“METHODSANDAPPARATUSFOROFDRINTERROGATORMONITORINGANDOPTIMIZATION”(“用于OFDR解调仪监测和优化的方法和装置”)的美国临时专利申请62/355,957的优先权和权益，该申请通过引用整体并入本文。
本申请中描述的技术涉及用于光纤形状感测的光学频域反射计(OFDR)测量以及涉及用于提高那些OFDR测量的准确性和可靠性的数据处理技术。
技术介绍
光学应力感测是一种用于测量波导的物理变形的技术，该物理变形由，例如，光纤的张力、压缩或温度的变化引起。多纤芯光纤由嵌入单根光纤中的若干独立波导组成。沿着纤芯的长度的应力的连续测量可以通过通常以光学频域反射计(OFDR)测量的形式使用扫频的波长干涉仪解释纤芯的光学响应来导出。通过知道沿着光纤长度的纤芯的相对位置，可以组合这些独立的应力信号以获得应用于多纤芯光纤的应力分布的测量。光纤的应力分布是指在高(例如，小于50微米)样品分辨率下沿着光纤长度施加的弯曲应力、扭曲应力和/或轴向应力的测量。先前的专利已经描述了使用多纤芯光纤的基于OFDR的形状感测(例如，参见通过引用并入的美国专利7，781，724和8，773，650)。基于OFDR的形状感测光纤的一些应用需要在形状感测输出的准确性和可靠性方面具有高度可信度。一个非限制性示例应用是在外科手术或其他环境中使用的机器人臂。在OFDR测量系统中，存在三个基本元素：光，光穿过的介质(例如，光纤波导)，以及检测光并将其转换为电信号的接收器。这些基本元素中的每一个都有助于执行测量的准确性。图1中示出了一个示例光纤形状感测系统，其包括可调谐激光器1，其是扫频的，以将不同频率或波长的光提供给耦合到光纤传感器/被测器件(DUT)3(这里也称为“传感器3”或“DUT3”)的光网络2。可调谐激光器在波长或频率的调谐范围内的每次扫描产生一组OFDR测量数据。光网络2耦合到检测、采集和控制电子器件4，其包括将光学信息转换成电信号的检测器、将模拟电信号转换成数字电信号的模数转换器，以及现场可编程门阵列(FPGA)以处理采集的数据和控制采集。检测、采集和控制电子器件4向处理器5提供输出以进行进一步处理，例如计算光纤的形状，并最终从光纤传感器/DUT3输出信息。处理器5还可以包括或替代性地包括FPGA或GPU。在图1所示的示例光纤形状感测系统中，形状测量取决于若干因素，包括精确检测从介质反射的光的能力，该介质是多纤芯光纤传感器。基于OFDR的光纤形状感测检测光纤传感器每个纤芯的点对点长度变化，并且OFDR测量系统的精度和噪声依赖于从测量到测量的，光到光纤传感器的可重复传输以及反射光的可重复检测。在光学频域和时域中，变化频率(在OFDR中，激光是经由波长或频率的测量范围扫频(sweep)或扫描(scan)的)的反射光的检测对于实现精确的光纤形状测量是重要的。不是传感光纤中物理变化的结果的OFDR扫描到扫描差异或扫描间差异会在OFDR测量数据中引入误差，如果不减少或校正他们(差异)的话。示例误差源包括激光调谐速度变化、光学输出功率波动、干涉仪路径长度变化、纤芯到纤芯延迟漂移以及OFDR通道中的电信号延迟。假设纤芯之间的检测电路的相对延迟是恒定的，纤芯之间的相位变化可以被解释为由传感光纤的物理变化引起的。但是专利技术人发现这些延迟关系随时间变化、随温度变化，和/或受到解调设备故障的影响。数据采集和处理中引入的延迟漂移将误差引入OFDR测量，这被错误地解释为传感光纤形状的物理变化。此外，激光扫描到激光扫描光学功率水平的变化也会导致OFDR测量误差。这种光学功率水平变化可导致激光的上升扫频和下降扫频之间的不匹配的信噪比(SNR)和/或在执行OFDR测量的光频率范围内的变化的SNR。
技术实现思路
示例实施例包括光学测量系统，其测量包括多个光学纤芯的光纤传感器。可调谐激光器在第一测量范围的波长上扫频，并且光学放大器放大扫频的激光。光网络将放大的扫频的激光提供给光纤传感器，并输出来自光纤传感器的反射光，其与多个纤芯中的每一个相关联。检测电路检测并将来自光纤传感器的输出的反射光转换成对应的电信号。数据处理电路控制光学放大器的增益以控制扫频的激光的功率。光学放大器可以例如利用连接到泵浦激光器源的输出和来自耦合到可调谐激光器的光分路器的激光的一部分的掺铒光纤放大器(EDFA)来实现。一个示例光学测量系统是光学频域反射计(OFDR)解调系统。光网络包括耦合到检测电路的激光监测器干涉仪和耦合到光纤传感器和检测电路的测量干涉仪。可调谐激光器在第一测量范围的波长上连续扫频，以便检测电路在可调谐激光器的上升扫频和下降扫频期间从光纤传感器采集OFDR测量数据。在示例实施方式中，数据处理电路控制光学放大器的增益，以补偿可调谐激光器的上升扫频和下降扫频期间的激光器功率不平衡或波动；校正光学放大器在第一测量范围的频率内的多个不同频率处的增益；控制光学放大器的增益，以在第一测量范围的频率上维持基本恒定的激光器功率水平；并且控制光学放大器的增益为用于可调谐激光器的上升扫频的第一增益和用于可调谐激光器的下降扫频的第二不同增益。其他示例实施例包括用于测量包括多个光学纤芯的光纤传感器的光学频域反射计(OFDR)解调系统。可调谐激光器在第一测量范围的波长上扫频，产生扫频的激光器输出信号。调制器将已知信号添加到扫频的激光器输出。光学干涉测量网络将放大的扫频的激光提供给光纤传感器，并输出来自光纤传感器的反射光，与多个纤芯中的每一个相关联的该反射光对应于传感器测量数据。检测电路检测来自光纤传感器的输出的反射光，并将输出的反射光转换成对应的电信号。数据处理电路基于添加的已知信号处理传感器测量数据，该数据是在第一测量范围的波长内的可调谐激光器的扫频期间采集的。数据处理电路可以被配置成基于添加的已知信号确定误差，该误差来自由光学干涉测量网络、光纤传感器或检测电路中的一个或更多个引起的延迟。示例实施方式特征包括激光器驱动器，其中调制器耦合到激光器驱动器的输出。调制器可以包括耦合到数模转换器和滤波器的控制器，该数模转换器驱动压控振荡器，该滤波器用于对来自压控振荡器的输出进行滤波以产生已知信号。另一示例调制器包括数控振荡器和滤波器，该数控振荡器用于产生二进制信号，该二进制信号具有用于提供时钟信号的最高有效位，该滤波器用于对时钟信号进行滤波以产生已知信号。光纤可以具有N个光学纤芯，N是大于3的正整数，并且调制器包括数控振荡器，其用于产生N个相位信号，该N个相位信号对应于N个光学纤芯和N-1个相位差信号。传感器测量数据中的相位误差可以基于N-1个相位差信号。可调谐激光器扫频可以包括：上升扫频，其中波长在第一测量范围的波长内从最小波长增加到最大波长；以及下降扫频，其中波长在第一测量范围的波长内从最大波长减小到最小波长。激光器扫频包括在上升扫频和下降扫频之间过渡的转向部分。可以控制调制器以在转向部分期间将已知信号添加到扫频的激光器输出。替代性地，可以控制调制器以将已知信号添加到波长在第一测量范围的波长之外的扫频的激光器输出。更进一步的示例实施例包括OFDR解调系统，其具有可调本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量包括多个光学纤芯的光纤传感器的光学测量系统，包括：可调谐激光器，其被配置成在第一测量范围的波长上扫频激光；光学放大器，其放大扫频的激光；光网络，其向所述光纤传感器提供放大的扫频的激光，并且输出来自所述光纤传感器的反射光，输出的反射光与所述多个光学纤芯中的每一个相关联；检测电路，其检测来自所述光纤传感器的输出的反射光并将其转换成对应的电信号；以及数据处理电路，其控制所述光学放大器的增益，以控制所述扫频的激光的功率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.29 US 62/355,9571.一种用于测量包括多个光学纤芯的光纤传感器的光学测量系统，包括：可调谐激光器，其被配置成在第一测量范围的波长上扫频激光；光学放大器，其放大扫频的激光；光网络，其向所述光纤传感器提供放大的扫频的激光，并且输出来自所述光纤传感器的反射光，输出的反射光与所述多个光学纤芯中的每一个相关联；检测电路，其检测来自所述光纤传感器的输出的反射光并将其转换成对应的电信号；以及数据处理电路，其控制所述光学放大器的增益，以控制所述扫频的激光的功率。2.根据权利要求1所述的光学测量系统，其中所述光学放大器利用连接到泵浦激光器源的输出的掺铒光纤放大器即EDFA和连接到来自耦合到所述可调谐激光器的光分路器的激光的一部分来实现。3.根据权利要求1或权利要求2所述的光学测量系统，其中所述光学测量系统是光学频域反射计解调系统，即OFDR解调系统，其中所述光网络包括耦合到所述检测电路的激光监测器干涉仪和耦合到所述光纤传感器和所述检测电路的测量干涉仪，以及其中所述可调谐激光器被配置成在所述第一测量范围的波长上连续扫频，使得所述检测电路在所述可调谐激光器的上升扫频和下降扫频期间从所述光纤传感器采集OFDR测量数据。4.根据权利要求3所述的光学测量系统，其中所述数据处理电路被配置成控制所述光学放大器的所述增益，以在所述可调谐激光器的所述上升扫频和所述下降扫频期间补偿激光器功率不平衡或波动。5.根据权利要求3所述的光学测量系统，其中所述数据处理电路被配置成校正所述光学放大器在所述第一测量范围的波长内的多个不同频率处的所述增益。6.根据权利要求3所述的光学测量系统，其中所述数据处理电路被配置成控制所述光学放大器的所述增益，以在所述第一测量范围的波长上维持基本恒定的激光器功率水平。7.根据权利要求3所述的光学测量系统，其中所述数据处理电路被配置成将所述光学放大器的所述增益控制为用于所述可调谐激光器的所述上升扫频的第一增益和用于所述可调谐激光器的所述下降扫频的第二不同增益。8.一种用于测量包括多个光学纤芯的光纤传感器的光频率频域反射计解调系统即OFDR解调系统，包括：可调谐激光器，其被配置成在第一测量范围的波长上扫频激光并产生扫频的激光器输出信号；调制器，其向所述扫频的激光器输出信号添加已知信号；光学干涉测量网络，其向所述光纤传感器提供所述扫频的激光并输出来自所述光纤传感器的反射光，与所述多个光学纤芯中的每一个相关联的输出的反射光对应于传感器测量数据；检测电路，其检测来自所述光纤传感器的输出的反射光并将其转换成对应的电信号；以及数据处理电路，其基于添加的已知信号处理在所述第一测量范围的波长内的所述可调谐激光器的扫频期间采集的所述传感器测量数据。9.根据权利要求8所述的OFDR解调系统，其中所述数据处理电路被配置成基于所述添加的已知信号确定由以下中的一个或更多个引起的延迟的误差：所述光学干涉测量网络、所述光纤传感器和所述检测电路。10.根据权利要求8或权利要求9所述的OFDR解调系统，还包括激光器驱动器，其中所述调制器耦合到所述激光器驱动器的输出。11.根据权利要求8或权利要求9所述的OFDR解调系统，其中所述调制器包括耦合到数模转换器和滤波器的控制器，所述数模转换器被配置成驱动压控振荡器，并且所述滤波器用于对来自所述压控振荡器的输出进行滤波以产生所述已知信号。12.根据权利要求8或权利要求9所述的OFDR解调系统，其中所述调制器包括数控振荡器和滤波器，所述数控振荡器用于产生具有用于提供时钟信号的最高有效位的二进制信号，并且所述滤波器用于对所述时钟信号进行滤波以产生所述已知信号。13.根据权利要求8或权利要求9所述的OFDR解调系统，其中存在N个光学纤芯，N是大于3的正整数，并且其中所述调制器包括数控振荡器以产生对应于所述N个光学纤芯的N个相位信号以及N-1个相位差信号。14.根据权利要求13所述的OFDR解调系统，其中所述数据处理电路被配置成基于所述N-1个相位差信号确定所述传感器测量数据中的相位误差。15.根据权利要求14所述的OFDR解调系统，其中所述可调谐激光器被配置成通过以下方式在所述第一测量范围的波长上扫频激光，包括：上升扫频，其中激光波长在所述第一测量范围的波长内从最小波长增加到最大波长；下降扫频，其中所述激光波长在所述第一测量范围的波长内从所述最大波长减小到所述最小波长；以及在所述上升扫频和所述下降扫频之间过渡的转向部分，以及其中所述调制器被配置成被控制以在所述转向部分期间将所述已知信号添加到扫频的激光器输出信号。16.根据权利要求14所述的OFDR解调系统，其中所述可调谐激光器被配置成通过以下方式在所述第一测量范围的波长上扫频激光，包括：上升扫频，其中激光波长在所述第一测量范围的波长内从最小波长增加到最大波长；以及下降扫频，其中所述激光波长在所述第一测量范围的波长内从所述最大波长减小到所述最小波长，以及其中所述调制器被配置成被控制以将所述已知信号添加到波长在所述第一测量范围的波长之外的扫频的激光器输出信号。17.一种用于测量包括多个光学纤芯的光纤传感器的光频率频域反射计解调系统，即OFDR解调系统，包括：可调谐激光器，其被配置成通过以下方式在第一测量范围的波长上进行扫频，包括：所述可调谐激光器的上升扫频，其中激光波长在所述第一测量范围的波长内从最小波长增加到最大波长；所述可调谐激光器的下降扫频，其中所述激光波长在所述第一测量范围的波长内从所述最大波长减小到所述最小波长；以及在所述上升扫频和所述下降扫频之间过渡的转向部分；光学干涉测量网络，其向所述光纤传感器提供扫频的激光并输出来自所述光纤传感器的反射光，与所述多个光学纤芯中的每一个相关联的输出的反射光对应于传感器测量数据；检测电路，其检测来自所述光纤传感器的输出的反射光并将其转换成对应的电信号；...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·马斯登，M·弗罗格特，M·S·沃尔夫，
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