專利名稱：用于將物理特性作為位置的函數(shù)確定的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量系統(tǒng)領(lǐng)域諸如光學(xué)測量系統(tǒng)，例如用于借助傳感器例如光 學(xué)傳感器測量空間分布的物理特性的系統(tǒng)。
本發(fā)明M涉及一種基，頻連續(xù)波(FMCW)的原理#^理特性作為位 置的函數(shù)確定的方法。尤其^]于基于細J^紂測量(OFDR)的測量系統(tǒng)。
背景鉢
典型地，F(xiàn)MCW反向散射(backscattering)測量系統(tǒng)，iH^光學(xué)FMCW 反向絲測量系統(tǒng)，包^^t^娜分、^H^分(evaluation part)以;SJ^向延伸 的傳感器。對于光學(xué)FMCW系統(tǒng)而言，所述的傳感器典型為光波導(dǎo)，典型為 光纖，然而對于電FMCW系統(tǒng)而言，典型的傳感器為電纜。該激厲娜^it用 于在傳感器中^t^力一系列調(diào)頻信號，"WP襯是接收傳感器對所述信號的響 應(yīng)，如jtMf該響應(yīng)映射為頻率的函數(shù)，其被稱作頻^Nt據(jù)或頻域中的數(shù)據(jù)。基 于所述響應(yīng)以及由頻域向空域的變換，可以提取出傳感器的沿其第一端和第二 端之間的狄的空間分布的測量點的一個或多揚理械。
雷達FMCW系統(tǒng)例如可以用于確定到對象的距離以;sj寸象的逸變。光學(xué)
FMCW反向IM^測量系統(tǒng)可以被應(yīng)用于測量沿光纖的一個或多*理#1^(典 型為溫度和/或張力)。電FMCW系統(tǒng)例如可以用于對沿電纜的溫度空間分布進 4亍監(jiān)測，例如參閱EP-1548416。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提f種4f^如溫度之類的物理特性作為位置函數(shù)確定的新方法和 新系統(tǒng)，所ii^法^L出了令人驚奇的有效，并提供高質(zhì)量的確定。因而已經(jīng) 發(fā)現(xiàn)，與*技術(shù)中相似質(zhì)量的確定相比，可以減少必需的測量數(shù)據(jù)點的數(shù)量 而只有很少或者沒有性肯LL的損失，和/或相對于^^1 FMCW系統(tǒng)的應(yīng)用所正 常需要的規(guī)格，只有很少或沒有性能上的損失。才緣本發(fā)明，因而已發(fā)現(xiàn)，可以利用減少的測量以希望的質(zhì)量獲#^理特 性的確定，從而可以相對快^IHW斤確定的棒性的變化。
根據(jù)本發(fā)明的將物理特性作為位置的函數(shù)進行確定的方法包括對由
FMCW獲得的數(shù)據(jù)序列進行處理。該數(shù)據(jù)序列包括來自 一個或多^H言道的數(shù)據(jù) 點，該方法包括
a. 測量^f個數(shù)據(jù)點,所述數(shù)據(jù)點對應(yīng)于調(diào)制頻率的N必個不同值("，L,"
f卿...，JU—da},從而從每#道中獲得至少一個原始數(shù)據(jù)序列，
b. 扭行一個或多個包括至少部分所ii^始數(shù)據(jù)序列的處理步驟，以獲得至少
一個包^H^制頻^t&, fp fn...， fN}的N個lt據(jù)點的:^Jt據(jù)序列，
C對所述姓數(shù)據(jù)序列^^亍緒域的變換，以在空域中獲得至少一條反向散
射曲線，
d.選棒fiw-條或多條所i向絲曲線與一個或多楊理特'對目關(guān),作 為位置函數(shù)，
其中N〉Nda。
^^十械中，當不實^^發(fā)明時，N可以,絲作所測量的數(shù)據(jù)點的數(shù)量， f!v為禍全應(yīng)用在FMCW系統(tǒng)中的最大測量數(shù)據(jù)點。由于大多FMCW都工作在 vSJ^莫式下，所以變換后的數(shù)據(jù)被稱為反向Wt分布曲線圖(profile), U因 為在因子和/或幅度偏移內(nèi)，其反^^向^gJj^b^K言號與沿傳感器的位置之間的 關(guān)系。取決于該系統(tǒng)，可以能夠獲^"個或多個反向，分布曲線圖，并且可 以將這些一個或多個反向 "分布曲線圖與一個或多#理夠湘關(guān)聯(lián)，作為 位置函數(shù)，其^^稱作^^布曲線圖，iH^顯JL^布曲線圖。
FMCW系Mit常通過記錄一個或多^H言道中的數(shù)據(jù)iMt行，在該一個或多 ^H言道中，基于物理棒J"生，信號通?？稍赹Ht道之間被分離。在一個實施例 中，名^f言道由獨立的檢測器i^，其中基fi^如光學(xué)FMCW系統(tǒng)的波長之 類的物理特性，將信號4^測器之間進行劃分。在另一個實施例中，用可調(diào)整 的濾波器順序測量每*道，從而為序列的每個成員選出所希望的信號。在另 外一個實施例中，在已通過一個或多個^r測器記錄信號之后，可以作為信號分 析而進^^M言道的分割。在一個實施例中， 一個或多個上述類型的信#該系 統(tǒng)中被組合。
數(shù)據(jù)點對應(yīng)于單個頻率測量的相#幅度的測量值，iiX的術(shù)語"單個頻率"要從廣:5Lh進行理解，因為大多激勵源和調(diào)制器的帶寬都不是零。因此， 單個頻率指的是頻率的間隔相對于一個周期中被測量的最小和最大頻率的間隔 而言纟Ma。在一個實施例中，所述間隔的寬;li^上與激勵源的調(diào)制的測量帶 餘同。
坐標^i對應(yīng)于同"-^制頻率或調(diào)制頻率集的一個或多^Ht道的(通常為 復(fù)數(shù)的)值。
通過例如以不同的調(diào)制頻率的數(shù)據(jù)點或坐標集的^^來形^:據(jù)序列。對 數(shù)據(jù)進行處理例如以提:^顯度信息，該數(shù)據(jù)處m常包括將來自兩個或更多個 信道的信號相關(guān)聯(lián)。做圖時的數(shù)據(jù)序列的形狀諸如幅度和/或相^^皮稱作特征信 號(signature )。
^^械中的術(shù)譯'光學(xué)FMCW反向"tyt測量系統(tǒng)"的意思戰(zhàn)于從一個
或多個i^散射的光學(xué)介質(zhì)(典型為光纖)或/和從一個或多個光學(xué)^f器(光 纖端、插頭、透鏡、A^f鏡等處的菲涅耳幼等等)反向絲的絲(泵浦(pump) 光)的頻率調(diào)制的光學(xué)FMCW測量系統(tǒng)。該反向M光包含與泵浦;^目同的 波 1/和由于非線性光學(xué)雌在不同波狄的附屬光。反向絲光的棒^^: 于連續(xù)^t介質(zhì)il/和A^器的物理的(力、張力、壓力、溫度等)和/或化學(xué)的 (;級、腐做態(tài)、含硫等)和/或電磁的(焚光性、絲性等)械。
光學(xué)反向散射系統(tǒng)例如可以包括已調(diào)制M源；用于以光》皮導(dǎo)的形式例 如光纖絲測物理量(例桐顯度、力、；賦等)的空間分布的測量的傳感器； 混合、濾波以及接4tit件(包括光電轉(zhuǎn)換器)；用于對反向散射的一個或多* 號進行變換^H^并JU ]于確定所關(guān)心的物理量的空間分布曲線圖的信號處理 襯料元。
術(shù)洽'光學(xué)FMCW反向lfc^測量系統(tǒng)"被考慮為包括基于外差測量才緒光 學(xué)或電學(xué))的系統(tǒng)。
通過在光學(xué)FMCW反向，測量系統(tǒng)中利用光學(xué)外差測量技術(shù)，可以在 邁克遜干涉儀的射出iWJi進行泵浦信號和反向^t信號的^給。這些種類的 光學(xué)FMCW才^K^^皮稱為"OFDR技術(shù)"或"相干FMCW技術(shù)"。
通過在光學(xué)FMCW反向，測量系統(tǒng)中利用電學(xué)外差測量技術(shù)，在電接 Jl^^塊中進4豫浦信號和反向Wt信號的混合。這些種類的電FMCW 4棘 ^Jt稱為"非相干OFDR ^M^"。#申請中，術(shù)^"OFDR(，^J^測量)"和'光學(xué)FMCW反向"Wf" 可以互^f^U在一個實施例中，^的頻率調(diào)制包括在不同頻率對^強度 的調(diào)制。每個測量周期，^0W率在較^^和較高頻之間逐步i4^者連續(xù)i^皮 線性調(diào)頻(chirped )。該頻率范圍通常適用于為光學(xué)FMCW裝置提供希望的空 間緒率。頻率測量點的數(shù)量典型iiM她為提供希望的測量距離(典型^J"應(yīng) 于測量光纖的H)，并且測量的頻率間隔典型itMfct為向FMCW裝置提供希 望的空間^lf率。
一種相關(guān)類型的光學(xué)FMCW系統(tǒng)是適用于測量空間分布溫>1^布曲線圖 的拉曼(Raman)反向Wt測量系統(tǒng)。典型地，所接收到的傳感器信號包含斯 托克司拉曼(Stokes Raman )反向li^信號，在一些例子中，該信號包含頗 托克司拉曼(Anti-StokesRaman)反向^J"信號。 一種確定溫^^布曲線圖的 方法是##斯托克司和^#托克司拉免良向散射信號進行的。作為替M案， 可以利用瑞利(Rayleigh)，與反斯托克司信號結(jié)^MU^顯度進eWh并 且可以將這些方法進^tiBL合。
在^^目關(guān)的應(yīng)用中，利用傳感器的沿其M方向的空間分布測量點的所 提取的物理^lt來確定諸如S;復(fù)、腐蝕狀態(tài)、含硫、壓力、力、騎等的參 數(shù)。
FMCW系統(tǒng)的一個典型應(yīng)用是進行監(jiān)控，即在傳感器的空間力、布的測量點
處測量一個或多^理M，以及-^:以規(guī)則的時間間隔來更新所述的測量，
該規(guī)則的時間間隔被稱為測量周期時間或簡單稱為周期時間。"申請的tw
中，；^該周期結(jié)束時將準備開始新的測量的意:5Ui來說，周期時間應(yīng)該^L理 解為測量系統(tǒng)能夠^ft一次完整測量的時間。通常， 一個測量周期包括用于確 定物理#|^的分布曲線圖或至少反向，分布曲線圖的所有步驟。M型將包 括測M^lt據(jù)、進，^t據(jù)的^^可^it^/或其它數(shù)據(jù)處^/分析、計算一個 或多個反向絲曲線、計算反向儲曲線的比率/關(guān)系、計算溫Jt^布曲線圖。 取決于本申請，可以例如用標M條例對最大可允許的周期時間進行限制。
這種應(yīng)用的一^HN子是對火災(zāi)的檢測，其中可以^M1 FMCW系統(tǒng)、通常 是OFDR系統(tǒng)，對沿^itt測構(gòu)造體例如ltitil建筑物中布局的光纖》麟的溫 度進行監(jiān)測。
測量的典型性能Wbl周期時間、物理M的M率、以及傳感器光纖專
8用狄的空間麟率。絲于所希望的應(yīng)用，需要不同的性能械。"H^仔 是對火突的^*]，其中必須檢測高動態(tài)率的溫度麥陣。在溫度M率和空間分 辨率不那么重要時，對錄的合適折衷可以提^M的測量周期時間。在雞 應(yīng)用中，諸如對電力電纜或油井中的溫度進行監(jiān)測，希望獲得最高可能的溫度
^#率，以抬r測溫^^布曲線圖中逐新的小的變化。
在FMCW領(lǐng)域中，通常作為數(shù)據(jù)處理的"^P分應(yīng)用逆傅里葉變換(IFFT )。 因此，性能錄的優(yōu)4誠?？紤]，通斷選擇用于IFFT的械的選擇來確定 系統(tǒng)的空間緒率和最大可測量距離。通常iM/被測數(shù)據(jù)位于頻域中，也M， ^)^lit據(jù)映射為頻率的函數(shù)，并應(yīng)用逆傅里葉變換將測量的數(shù)據(jù)從頻域變換到空 域，在空域中數(shù)據(jù)被映射為位置的函數(shù)。實際上，所述的逆傅里葉變換通常通 過IFFTiM^亍。IFFT例考1^現(xiàn)出等間隔的數(shù)據(jù)點，并用具有2n個數(shù)據(jù)點的數(shù) 據(jù)集提供最優(yōu)性能，其中11是 。 IFFT的前和/后應(yīng)用通常包括一步或多步 數(shù)據(jù)處理，諸如平均、噪聲斷氐以及加窗。通常l^亍加窗以便斷氐由于對有限 數(shù)據(jù)序列進^^傅里葉變^A的空域中^4存在的M (smearing)雌和/ 或振鈴(ringing)效應(yīng)。并且，據(jù)推測，通過識別空域中的諧波失真并用擬合 算法在頻域中以相關(guān)頻率消I^il些失真，可以消除這種諧》^A真?？沼蛑械闹C 波被相對直4^地確定，并JL^jE常^M^艮少為真實的(real)。該識別可能需 ^-^種算法，該算法能夠從諧波的"測量假值(artifacts)"中分離出真實辨。
該消除擬合算法^^是遞歸的以彬'j最佳擬^i。
雖然通常i人為應(yīng)用BFTT是M的，但是^^^Ji可以用^f可合適的數(shù)學(xué) 變^^v^彭'j空域的該變換。例如，可以替 (7,在數(shù)據(jù)點之間進行內(nèi)插， 并^W亍連續(xù)或半連續(xù)傅立葉變換。jH^卜，在原理上，該變換不必是傅立葉變換 或逆傅立葉變換，因為任何將數(shù)據(jù)變換為可以與位置相關(guān)的數(shù)據(jù)集的變換;tR" 以被應(yīng)用。在下文中，將應(yīng)用術(shù)if^立葉變換、逆傅立葉變換、EFFT以及'tfel 傅立葉變換(FFT) ijM^^斤用的變換，因為這些是;M頁域中的通常選擇。然 而，應(yīng)該將這些術(shù)語看作只是例子，應(yīng)該認為它們是可以用4封可合適的數(shù)學(xué)變
^^/或^^P^適的處理離ltlt據(jù)的il:徑^R的。
對應(yīng)于最高頻率fjv的數(shù)據(jù)點確定IFFT變換后的空間，率，而數(shù)據(jù)點的 lt量N確定測量的最大范圍。
例如，本發(fā)明例如在諸如大型裝置中的空間分布的物理^:的測量之類的應(yīng)用中可育^l:有用的，該大型裝置中例如沿著it^、在縱中、管道中或纜線 中、工業(yè)設(shè)備中等等，該物理Wt例^;顯度、J^1、力等等。
EP-1548416中描述了可能與本發(fā)明相關(guān)的l^技術(shù)的FMCW反向散射系 統(tǒng)的一個例子。
典型地，在監(jiān)控系統(tǒng)中的單個測量周期中包含獲得的數(shù)據(jù)序列、所得的反 向iyt曲線、以》逸棒I"^k^得的物理特性與沿傳感器的位置之間的關(guān)系。因 此，在幾個實施例中，確定所述的至少一個反向，分布曲線圖，以將原先確 定的物理特性作為位置的函數(shù)而進行更新。在一，逸實施例中，在每個周期 中測量同一個頻率集，從而測量的調(diào)制頻率集{", W， fm> ..., Wl"與用于 將前面所確定的物理特性作為位置的函數(shù)確定的測量調(diào)制頻率集^^h^目同。 在另一個實施例中，頻率ltiL好以滾動(rolling)的方M周歉間變化，以便 預(yù)定數(shù)量的周期之后，對M數(shù)據(jù)序列中所表示的所有頻率至少測量了一次。 因此，to地，至少以下面方式中的一種測量調(diào)制頻率的數(shù)目、省略測fi^ 制頻率中的一個或多^H直、添加測量調(diào)制頻率的一個或多，，使得該測，
制頻率集{;。， fm，" f,dj與用于將原先確定的物理特性作為位置的函
數(shù)確定的測量調(diào)制頻率集不同。
由于數(shù)據(jù)點的采集可負H系統(tǒng)的周期時間的重要部分，本發(fā)明可以提供幾 個優(yōu)點中的一個或多個，其中利用減少所需的周期時間從而擴展系統(tǒng)設(shè)計的性 能 其例子包括更長的范圍、沿著多個光纖彰iii行測量、通過平均剩氐噪聲。 在另一例子中，當可利用更多的時間測量單個數(shù)據(jù)點時，可以通ii^t寬對數(shù)據(jù) 點數(shù)目的限制，來斷樹測量電子沒備的要求。
典型地，拉曼OFDR系^^^Chiifr測量，其中檢測^^別^OJf 托克司語線(line)、斯托克司鐠線以及參考鐠線上采iyL參考i普線通常具有 與光源相同的波長。其它FMCW系統(tǒng)可以絲更少或更多的信道。
對于拉曼OFDR，坐標集通常指的A^Jt托克司語線、斯托克司i普線以及 參考鐠線的值。然而，它也可以指的另:每^H言道的數(shù)據(jù)序列。在一^S^實施 例中，雨CW系統(tǒng)包括多^ft道，#^本發(fā)明，對一個或多^Ht道分別進行處 理。在另一實施例中，對兩個或更多^ft道并行處理。在處理的過程中，來自 斯托克司鐠線和^f托克司鐠線的測量信道的數(shù)據(jù)可以與參考信道的相^幅 働目關(guān)。對于利用單^f言道的FMCW系統(tǒng)，坐標集等于數(shù)據(jù)點。為了獲得N個數(shù)據(jù)點，所述的處理步驟最好包括在數(shù)據(jù)點中用填充序列
(ff'0， ft" f—W—da灘沐充，該填^列包含有(fm'0， f叫"f卿…，"}中 所不包含的調(diào)制頻率的值。所述的M數(shù)據(jù)序列的數(shù)據(jù)點最^用于所選的變
齢法。對于IFFT或FFT， ^!數(shù)據(jù)序列最好包含2W個數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)點相對 于頻率等3巨，以伏^it些算法的'性能。
在一^to實施例中，N必小于或等于N的卯。/。，諸如小于或等于80%， 諸如小于或等于80%，諸如小于或等于70%，諸如小于或等于60%,諸如小于 或等于50%，諸如小于或等于40%，諸如小于或等于30%，諸如小于或等于 20%, *小于或等于10%。
可以說，該填充序列包括補充值(fill values)或填充值(filling values )。在 一個M實施例中，所述填M列包括前先測量的數(shù)據(jù)點。對于監(jiān)測系統(tǒng)，這 種先前測量的數(shù)據(jù)點可以由先前的測量周期來提供，先前的測量周期諸如為前 一個測量周期和/或前ii^二個測量周期和/或一個或多個更古老的測量周期，諸 如比2個周M古老的測量周期，i勤口比3個周期還古老、iH^匕4個周期還 古老、諸如比5個周M古老、諸如比6個周M古老、iH。比7個周M古 老、諸如比8個周期還古老、諸如比9個周M古老、諸如比10個周期還古老、 諸如比20個周敏古老。然而，先前測量的數(shù)據(jù)也可以包^t為優(yōu)4W校準處理 的"^f^^所獲得的lt據(jù)。M于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當性能退m^示出以M的間 隔重新校準時，和/或當諸如在##維護期間和/或^系統(tǒng)的一個或多個組件被 替換時，在系統(tǒng)^^壽命內(nèi)^^^f亍一次這種校湊優(yōu)化。在一^N^實施例中， 原先測量的數(shù)據(jù)點包含原先測量的數(shù)據(jù)點的平均，"^滾動(rolling )平均。平 均值的應(yīng)用最好是有糾的，從而平均棘當一個或多個上一個測量值符^" 個或多個預(yù)定限制的情況下使用，例如該值必須在原先測量值和/或兩個或多個 原先測量值的平均值周圍的i^間隔內(nèi)。
在"HS^實施例中，所述填充序列包含基于原始數(shù)據(jù)序列的數(shù)據(jù)點和/或 一個或多個先前測量的原始數(shù)據(jù)點，諸如內(nèi) _、平均和/或最接近的測量數(shù)據(jù) 點的值?；谠紨?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)點的例子可以是內(nèi)#{￡和平均值，該平均值射口 是兩個或更多個高頻值的平均值，以估計對提供未測高頻值有用的底噪(noise floor)。其它例子包^L近的測量值、基于一個或多個周圍數(shù)據(jù)點的內(nèi)皿。這 種內(nèi)插可以是^f可合適的內(nèi)插，"^如線性內(nèi)插、##^等。用于確定^^適的補充值的另一種可能包括基于來自原始數(shù)據(jù)序列的M特定特征信號(signature) 進^i^似連續(xù)，例如在一個M實施例中基于測量的低頻范圍確定更高頻的補 充值。當然，以上討論的補充#一個或多個實施例中可以以相似的方^娘 來自原先周期的數(shù)據(jù)集，諸如一個或多個原先測量的原始數(shù)據(jù)序列和/4^先確 定的g數(shù)據(jù)序列，*一個或多個平均數(shù)梧集。
在一個實施例中，所述填狄列包^S(口1、 0和/或l+j之類的預(yù)定值， 其中j表示虛部。應(yīng)用這種值的好處可以是簡單，其反it^會允許更決的系統(tǒng) 性能和/或改善的噪聲特性(見圖11)。如彩更有可利用的原先測量值，則這種 艦可以翻作絲值。
在一個實施例中，原始數(shù)據(jù)序列和填充序列的數(shù)據(jù)點位于一個或多個相應(yīng) 的不重疊的間隔和/或一個或多個相應(yīng)的重疊的間隔中。
填充序列中的不重疊間151^^ ^于光謙的一些部分，即一個頻^l^且， 希望該光譜的這些部分在周期之間幾乎不經(jīng)歷變化?？梢酝频茫诋敼忡捠艿?測量系統(tǒng)的底噪嚴重影響時的情況下尤其是如此的，因為這有可肯M蟲立于物理 棒性ijU^亍測量。對于FMCW系統(tǒng)，經(jīng)常M^到信號的衰減作為頻率的函數(shù)。
因此，^it種情況下，可以4W，對高頻a^用填M列至多會小程度^W吏物
理棒性的所^^布下降?？梢赞k，對于一些應(yīng)用，#^適的填^列用于更 高頻可以改善系統(tǒng)的噪聲特性，因為諸如當^^單個補^it時(見附圖10和 11),當^^I原先測量的平均值時，和/或當^fM預(yù)測/內(nèi)敏時，填M列在該 區(qū)域中受噪聲的影響較小。M地，填充序列包含與原始數(shù)據(jù)序列不重疊的間 隔，所述間隔的下限是小于0.95'&,諸如小于0,9'fN,刺口小于0.8'&， i射口小 于0.7'fjy，謫如小于0.6'&，諸如小于0.5'&，諸如小于0.4'f;y，諸如小于0,3'fN， 諸如小于(K2.fk，諸如小于0.1'fN。然而，光鐠的其它部分也可以適于填絲。 諸如，DC附近(即，對于小的頻率值)，其中原始^^#理特性的平均值。 因此，在一個實施例中，填充序列包括與原始數(shù)據(jù)序列不重疊的間隔，所述間 隔的上限狄于0.1'fN，諸如大于0.2'&， iJ"^大于0丄fN，鈔大于0.4$，諸 如大于0.5'fN, iH口大于0.6'fN，諸如大于0.7'fN， "^ft口大于0.8'fN，諸如大于0.9'fN。 重疊間隔^f^M皮應(yīng)用于其中將測量對物理特性的所#^布的重要貢獻的 頻率間隔中。在一^H^悉實施例中，填充序列和原始數(shù)據(jù)序列包括重疊頻率間 隔，其中填充序列的數(shù)據(jù)點的平均間隔是Aff，原始數(shù)據(jù)序列的數(shù)據(jù)點的平均間隔是Mm。 M于希望和/或確定特，率對于^^^T敏感，可以相應(yīng)i^k^ 地調(diào)整原始數(shù)據(jù)序列的平均間隔Afm。高敏感區(qū)域應(yīng)該具有低的Afm,從而提供 高密度的測量數(shù)據(jù)點。在一^to實施例中，特征信號作為頻率的函數(shù)而衰減 ^i^怍為頻率的函數(shù)增大Afm，例M步增大。
在"HSfc選實施例中，填充序列包含原先測量的數(shù)據(jù)。希^l當老數(shù)旨 新數(shù)據(jù)組合時大的改變會產(chǎn)生假值(artefacts),尤其是當所i^Jt從一個周期 到下個周期中出現(xiàn)時。預(yù)期當將原先測量的數(shù)據(jù)應(yīng)用在填充序列中作為重疊間 隔的一#分時，這種偽差尤其嚴重。在一^選實施例中，數(shù)據(jù)處理包含對特 征信號中相對于包含原先測量的數(shù)據(jù)的該部分或填充序列的大的改變的檢查， 使得在這種情況下，可以釆取合適的預(yù)防措拖。M地，這種預(yù)防M包含對 受影響的一個或多個頻率間隔的再次測量。
然而，對于一些應(yīng)用，例如火災(zāi)檢測，對于溫度改變的時間常量可以比周 期時間長，和/或?qū)Ω淖兊木戎档臋z測的重要l"生可能不如對所M^的檢測那 么重要。因此，所述間隔內(nèi)的所述原始序列和填充序列的上述平均間隔可以根 據(jù)應(yīng)用而被調(diào)整，從而可以按照希望城小周期時間，同時維持足夠的系統(tǒng)性 能。因此，在一^ 實施例中，填M列和原始數(shù)據(jù)序列包^""個或多個間
隔，其中所述Aff小于或等于Afm,諸如Aff小于或等于丄Afm, iH口小于等于丄Afm,
2 3
諸如小于等于丄Afm,諸如小于等于丄Afm,諸如小于等于丄Afm，諸如小于等于
4 5 3
Ufm,諸如小于等于丄Afm，諸如小于等于丄Afm， i^H、于等于丄A^，諸如小
3 4 5 6
于等于丄Afm，諸如小于等于Ufm,諸如小于等于丄Mn,諸如小于等于丄Afm。
7 8 9 10
進而，填M列和原始數(shù)據(jù)序列可以包t個或多個間隔，其中Aff大于或等于 Afm，諸如Aff大于或等于2.Afm，諸如Aff大于或等于3Afm，浙oAff大于或等 于4'Afm,諸如Aff大于或等于5'Afm， iH^Aff大于或等于6Af加，諸如A&大于
或等于7Afm，諸如Aff大于或等于8Afm，諸如Aff大于或等于9Afm，謫如Aff
大于或等于10Afm。
在一個實施例中，填M列和原始數(shù)據(jù)序列包含重疊的頻率間隔，其中填 M列中數(shù)據(jù)點的數(shù)目等于或大于原始數(shù)據(jù)序列中數(shù)據(jù)點的數(shù)目，諸如等于或 大于原始數(shù)據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的2倍，諸如等于或大于原始數(shù)據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的3倍，iH口等于或大于原始數(shù)據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的4倍，妙等于或大于 原始數(shù)據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的5倍，i;t^等于或大于原始數(shù)據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的 10倍。然而，在同一個實施例或另一個實施例中，填^列和原始數(shù)據(jù)序列包 括重疊的頻率間隔，其中原始序列中數(shù)據(jù)點的數(shù)目等于或大于填充序列中數(shù)據(jù) 點的數(shù)目，諸如等于或大于填^^據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的2倍，諸如等于或大于 填^t據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的3倍，iH。等于或大于填狄列中數(shù)據(jù)點數(shù)的4倍， 諸如等于或大于填狄列中數(shù)據(jù)點數(shù)的5倍，諸如等于或大于填^列中數(shù)據(jù) 點數(shù)的10倍。
正如前面關(guān)于非重疊間隔所討論的，取決于期望的數(shù)據(jù)和應(yīng)用來選擇X^卩 個頻率間隔應(yīng)用填充序列。在數(shù)據(jù)中存在實質(zhì)信息的間隔中，對于期望重疊間 隔對某些應(yīng)用有益的情況也是類似的。然而，在可以應(yīng)用非重疊間隔的相同情 況下，使用重疊間隔也可以是有利的。4it種間隔中，其可以改"^lt度，同時 還可以維持良好的系統(tǒng)性能，以使來自原始數(shù)據(jù)序列的數(shù)據(jù)點的數(shù)目小，來自 填充序列的數(shù)據(jù)點的數(shù)目大。
因此，取決于數(shù)據(jù)和應(yīng)用來選擇在哪里使用重疊間隔。因此，^tei也，所 迷重疊頻率間隔具有開始頻率U和結(jié)束頻率f自，其中f,是fN的分數(shù)， lfN、 2 fN、 丄fN、 丄fN。 還M為，組^k^者單艦，f^是0或者是&的分
4 2 4
數(shù)，寸者如2fN、丄fjv、丄&。 4 2 4
由于填充序列被指定為包含原始數(shù)據(jù)序列中不包含的頻率，所以這兩個序 列在端點上不可以重疊。因此，在本怖免中，術(shù)語"重疊"應(yīng)該^^釋為，可隔。
在一^N^i實施例中，te為， 一個或多個在上面討iW重疊間隔內(nèi)的原 始數(shù)據(jù)序列包^_樣的頻#集的數(shù)據(jù)點，所，^i集在兩個或更多個測量
周M間;^改變，諸如滾動改變，其中每2個周期或間隔更;Ujk^特定頻率 進行測量，i勤喊3個周期或間隔更大，i^。每4個周期或間隔更大，i射傳5 個周期或間隔更大，諸i喊6個周期或間隔更大，諸M 7個周期或間隔&， 諸如每8個周期或間隔更大，諸如每9個周期或間隔更大，諸*10個周期或 間隔更大。可以推得，在某些情況下，本發(fā)明的應(yīng)用尤其是填充序列可以提高系統(tǒng)的 穩(wěn)定性。當填^列^^用于更高頻率時，尤其是如此，在更高頻率中，由于
數(shù)據(jù)點的1^i作為頻率的函數(shù)進行指絲減，可利用的光信號功率非常小。對 于這些頻率，可以用關(guān)于溫度分布曲線圖的信息的很少量增益就會引入可觀的 噪聲。因此，低噪聲填M列，諸如平均分布，模型數(shù)^v或預(yù)置常量將提供 較小的噪聲，同時可以維持系統(tǒng)的性能。
有利地，將復(fù)接收電信號表示為數(shù)字形式的離散測量點，例:i^t為A/d轉(zhuǎn) 換(^^f'J數(shù)字的轉(zhuǎn)換)的結(jié)果，例如##在適當?shù)臄?shù)據(jù)#^介質(zhì)(例如dsp (數(shù)字信號處理器)的4#器)中。
在一個實施例中，^ fe^器中M不止一個對應(yīng)于測量周期的特定接收電 信號(例如斯托克司信號iU^f托克司信號)的數(shù)據(jù)集。在一個實施例中，來 自若干*定信號測量周期的數(shù)據(jù)在用作填^:據(jù)之前被平均。
本發(fā)明進一步4樹一種fmcw反向f^測量系統(tǒng)，諸如光學(xué)fmcw反向 散射測量系統(tǒng)，其包^i十^^幾可讀^"質(zhì)，該計算機可讀介質(zhì)J^ft有用于M 本發(fā)明的計^^可讀禾^H^。
本十械中所用的術(shù)譯'計^^可讀介質(zhì)"的含:5U^封可合適的用于^f^1^ 代碼的裝置，包括磁盤、cd-rom、閃存、硬盤驅(qū)動器、ram等。在一個實 施例中，計W^可讀介質(zhì)是pc、 Wt理器(例如dsp)和/或可編禾liE輯(諸 如fpga)的一部分，或與pc、微處理器(例如dsp)和/或可編禾Iil輯(諸
如fpga) iy^-^。
本'I"械中的術(shù)發(fā)'計^i;，的含:5UJ I于^ftf聘^^的^^j"合適的處理單 元，包括pc、微處理器、dsp等。
應(yīng)該強調(diào)的是，當說明書中^^J術(shù)洽'包舍，時，用它g示存在所迷的特 征、整體、步^Ml組件，但是不排除存在或增加一個或多個其它特定的特征、 *、步驟、組件或它們的組合。


下面利用呈現(xiàn)的例子W目應(yīng)附圖來說明本發(fā)明，其中
圖1示出包:fe^^W^單^光學(xué)傳感器的光學(xué)fmcw測量系統(tǒng)的示意圖。
15圖2示出FMCW系統(tǒng)中常規(guī)的數(shù)據(jù)采集和處理的^^圖的示例。
圖3示出根據(jù)圖2的沐程圖處于數(shù)據(jù)處理的不同階段中的數(shù)梧的示例。圖 3a是被測數(shù)據(jù)點(幅度)4t^從0Hz到8MHz的頻率范圍的繪圖。圖3b示出 示例性的反向散財曲線，圖3c示出所得的計算出的溫^L^布曲線圖。
圖4示出^N個數(shù)據(jù)點(頻域中的0到N-1個數(shù)據(jù)點)的被測數(shù)據(jù)集的 圖，每個數(shù)據(jù)點^^^Mc測響應(yīng)的才^i^幅度的復(fù)數(shù)Si。
圖5a示出包括圖1所示系統(tǒng)的測^r局圖。通itii種i^，可以對系統(tǒng)的 ^1t確JL和空間分l^率it^亍^f究。圖5b示出示例性測試結(jié)果。
圖6a是才娥^L明的應(yīng)用于如圖1所述的OFDR系統(tǒng)的測量和數(shù)據(jù)處理 禾聘的^^呈圖。4il^N子中，原始數(shù)據(jù)序列由從DC到上限值^pX(]N^-l)的 頻^L據(jù)^L^，填M列由4pXNda到f鯽xN的頻^lt^ia^。
圖7a^d示出財不同的N&值利用圖6所列的禾踏所獲得的圖5a所示的設(shè) 置的^^^布曲線圖的繪圖。
圖8^i才M^^發(fā)明的應(yīng)用于圖1所述的OFDR系統(tǒng)的測J^^t據(jù)處S^1^ 的流程圖。在這個例子中，原始數(shù)據(jù)序列包含每隔一個的數(shù)據(jù)點，并且次生數(shù) 據(jù)序列用前一周期中測量的數(shù)據(jù)填充到剩余數(shù)據(jù)點中。
圖9a和9b示出利用圖8的^所得的圖5的設(shè)置的溫JL^布曲線圖的繪圖。
圖10a-c示出由圖6的禾誘從圖5所示的iM^得的狄數(shù)據(jù)序列的^i的 幅^(a)輛目^(b)以;5L/斤得^^布曲線圖(c)的繪圖，其中填^列由作為填充 值的l+j構(gòu)成。
圖lla-c示出由圖6的禾踏從圖5所示的iM獲得的狄數(shù)據(jù)序列的處的 幅JUa)輛目位(b)以^J斤得溫;t^布曲線圖(c)的繪圖，其中填^列由作為填充 值的上次的測量值構(gòu)成。溫^^布曲線圖中的周^i是由J^在沿外圍的略 微不同的溫度下的纏^J支形圓桶上的測量？ 1起的。
圖12a~c示出由圖6的禾聘從圖5所示的iM獲得的a數(shù)據(jù)序列的次生的 幅y^a)科EHi(b)以;^斤得溫;t^布曲線圖(c)的繪圖，其中填)L/f列由原先測量 的數(shù)據(jù)構(gòu)成。
這些圖是示意性的，并且為了清I^L而進行了簡化，它們只示出了那些 對于3g^本發(fā)明重要的細節(jié)，而省略了其它細節(jié)。M實施方式
圖1示出FMCW系統(tǒng)的示意圖，^M/h^子中，A^學(xué)FMCW測量系統(tǒng)， 該系統(tǒng)包^^UIW^單^^傳感器。
在圖la中，包^U;Wh單元11的光學(xué)FMCW反向M測量系統(tǒng)10被 示出為與光學(xué)傳感器13光學(xué)交互作用(贈頭12所示)。在圖lb中，測量系 統(tǒng)10的激^Wh單元11凈皮示出為包括光源111，該光源例如為諸如半"!^LW6 H^類的，a器，所^L^^MI頻光信號121 '^a到光學(xué)傳感器13的第一端 134 (例如光纖的^L，例如^纖維)；該傳感器具有相對于光源111遠程 設(shè)置的第二端132。來自光源111的光信號121 ^A^t學(xué)傳感器13之前(用 接收單元U2內(nèi)的虛箭頭表示)，^it棒I^4修改(例如濾波和/或調(diào)焦)。該負 責進^^修改的光學(xué)組件(例如濾波器、分束器、透鏡等)可以4^^^部分 地形成^lt單元112的一^分，或;^4^iy^部^Mi于其它位置(例力4為 一個或多個分離單;USL形成傳感器13的4分)。來自光學(xué)傳感器13的反向散 射光信號122被示出為由# ^單元112棘，信號113從# 11單元112被轉(zhuǎn)發(fā) 到處理"Wi^單元114。(反向，的戚收的光信號122包括基，頻光信號121 的數(shù)皿號，從該調(diào)頻光信號121中可以提取出沿著傳感器13的空間分布的測 量點131的物理^:。測量點131分布在光學(xué)傳感器13的A變L上。
圖lc示出了具有基于拉M向散射的光學(xué)溫度測量系統(tǒng)的形式的示例性光 學(xué)FMCW反向M測量系統(tǒng)IO。然而，正如上面所討論的，預(yù)期本發(fā)明可以 應(yīng)用于4射可類型的FMCW系統(tǒng)中。
圖lc的溫度測量系統(tǒng)10包^b^if^單元11和具有光纖形式的溫度傳感 器13 (可能包括輸A/輸出M器組件，用于將光信號12^^A/出光纖)，該激 ^i^^單元11包括光源* 111 (包，率產(chǎn)生器1U3、 ' 6器1111、'自區(qū) 動器1112 )、光學(xué)接收器112 (包括濾波器和^"測器，如;(^斤周知的符號所指 示)、電子接收器^H^單元114 (包^阻^#換器、混頻器1141、放大器、 帶通濾波器、m(A/D)轉(zhuǎn)換器和信號處理單元1142)。在該傳感器中指示出 了可能的熱源135。測量單元11內(nèi)部具有一段附加^JL的光纖，其用作溫度計 算的參考。為了實際原因，該參考光纖^ ^光纖軸上，該光纖軸位于光學(xué)模 塊112和傳感器13之間。光學(xué)開關(guān)例如可以用于從兩端(134和132)測量光纖13,以獲得光纖衰J^JL。附加的選項是利用光學(xué)開關(guān)以相同測量單元(激 厲^Wb郎分11)來測量針個光纖。光必須,鏈續(xù)^^射到多^^感器中的每 一個的第一端D4。該光學(xué)開關(guān)可以位于參考W^傳感器13之間。這些可選的 附加光學(xué)組件(參考^光學(xué)開關(guān))未在圖1中示出。圖1的系統(tǒng)進一步包含 處理單元115和用戶界面116。 M功能塊之間的協(xié)怍由箭頭表示。
在圖lc所示的實施例中，系統(tǒng)包^^三*道，也狄，除了兩個測量信道 (^J f托克司和斯托克司)夕卜，還有一個額外的參考信道。絲器的輸出由正 弦信號進4t+i度調(diào)制，該正弦信號的頻率(圖lc中是&，其它船用L表示) 通過HF調(diào)制器在測量時間間隔內(nèi)從開始頻#描到結(jié)束頻率。所得調(diào)頻 > 121通it^學(xué)模夾112 M到光波導(dǎo)13的第一端134中。從沿著光纖13的M 的每個部分(參照圖lb中的點131)連續(xù)反向散射的光(包括拉曼光)122, 在光學(xué)才狹中,iUt語濾波，絲iii^r測器轉(zhuǎn)城電信號。
在一個實施例中，來自光源模塊111的一^分絲光纖的第二端(遠端) 132處#^，并且部分133凈iCit^J"。在光纖傳感器13的每個有限^R 135中， 自發(fā)拉曼皿出#所有方向上。只有向后指向測量單元ll的部分拉曼^H皮 檢測雜收。反向Wt信"!i皮從絲點到檢測器走向的光纖進一步衰減。光纖 132的遠端^fe^接到光吸收器。接^J'j的(測量)信號113 M大，^AJiJ 4 譜范圍(LF范圍)中，該^f^Mi務(wù)范圍提^^^的(反向絲的)電信號 作為'^Ut器調(diào)制頻率fm的函數(shù)。平均LF信號的逆傅立葉變換的結(jié)果為兩個拉 f^向Wt曲線(反斯托克司和斯托克司)。該反向散射曲線示出沿著光纖^JL 的拍:曼散紂強度的衰減分布曲線圖。沿著傳感器線纜的光纖溫M兩個測量信 道中信號的幅度關(guān)系(比率)的結(jié)果。EP-0692705中描述了這種系統(tǒng)以及其在 測量分布溫度、或;M^、或力;^布圖的用途，并且以DTS-系統(tǒng)(DTS-分布溫 度感測)的形式在商業(yè)上可用，諸如德國LIOS Technology GmbH， K6In的控 制器OTS40P。
圖2是適用于本發(fā)明的在FMCW系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集例子的流-呈圖， FMCW系統(tǒng)在這里用圖1中的適用于對沿著測量光纖的溫度進行監(jiān)測的 OFDR系統(tǒng)示例^示。對其它類型的FMCW的it應(yīng)性^^W于;^^^fit才支 #員是比 而易見的?？糽^從初始化系統(tǒng)Wt開始，該系統(tǒng)^lfc諸如測量 的帶寬、最大頻率、數(shù)據(jù)點的數(shù)量、以及計數(shù)器(步驟21和22),運行循環(huán)23-26,
18直到計數(shù)器iii'jN，并且記錄了頻域中的N個樣本。在當前的例子中，通過調(diào) 頻 6 121 ^^f^測頻率上測量樣本，并JL^^照圖1討，三^HtiUi測量響 應(yīng)。在步驟27和28中，對分別來自斯托克司和>0 托克司信道的測量數(shù)據(jù)執(zhí) 行IFFT。在步驟29中，扭行光纖斷裂測試。在測量光纖斷裂的情況下，系統(tǒng) 應(yīng)該^iW這個情況進行獨立^"測。合適的光纖斷裂測試包括基于分析反向散 射分布曲線圖，確定光纖的計算的末端與前次測量周辦目比的變化。在確定出 有變化的情況下，當前測量將被丟棄，并^l^'非斷氐的"測量。
基于逆傅立葉變換數(shù)據(jù)，物理條改(在此情況下為溫度)的^^布曲線圖可 以被計算201?；谒雇锌怂竞虯^托克司散^i十算溫JL^布曲線圖的方法^ 領(lǐng)域中是X^斤周知、非常公開的。于是，才緣本申請，可以對該分布曲線圖進
4憤查，以識別不同類型的情況202。在火突檢測的情況下，條例詳細M^:對于
靜態(tài)'1"姊以財于動態(tài)^^牛都需要怎"#的響應(yīng)棒性。在歐洲，EN54-5的第-^p 分經(jīng)常凈紐用于火突檢測的DTS系統(tǒng)中。該標準例如指明了當傳感器線纜的一 部分在具有不同熱梯度的加熱信道中械戟'I^熱到每分鐘30 Kelvin時，警凈^i、 須,嫂出的允許時P艮。在美國，經(jīng)常應(yīng)用的是NFPA72。収，"^ft與額妙 熱型灑水車的tb^，以對DTS系^^生火突時的響應(yīng)進行分類。因此， 地，可以對于溫度的若干個梯度以及專用光纖位置或區(qū)域處的最大準則檢查溫 ;^分布曲線圖。其它類型的^ft包括對于甚至在高溫下對石油和天然氣或電力 線纜應(yīng)用的泄漏檢測或溫^J&控，對逝斬變小的^t進^^測。典型所需的測 量周期為約10s或小于10s，而才Wi殳計，傳感器線纜的時間常數(shù)為約60s。最 后，可以傳ii^斤^y尋的lt據(jù)以用于^r^M匕。
圖3a示出頻域中的采集的數(shù)據(jù)集，其iH口用圖2所示的過程來采集。M ^i^'子中，從0他至1』8.21012采集數(shù)據(jù)，并且范圍相對于系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換器的 動態(tài)范圍為-2到-53dB。通常，OHz不負W皮測量，所以在一個實施例中，通過 高于DC (以kHz的量級)的測量常常結(jié)合仗正因子對DC值進^t^似，所述 因子由諸如wo2006027369中所述的校JlMl^所確定。
圖3b示出與圖3a中繪圖的數(shù)據(jù)相對應(yīng)的反向，曲線。該反向，曲線 由幅度(圖3a所示)桐目位(未示出)的IFFT獲得。數(shù)據(jù)的范圍在-100至6000 米，幅度的范圍在0至大約23.5(18。測量光纖與第一個4300; M目對應(yīng)，該第一 個4300iMt，這^Hi以上的任4可^t據(jù)都^J^bU^聲。-100至0米的數(shù)提與*部分ll內(nèi)部的內(nèi)部附加^1的光纖相對應(yīng)，該內(nèi)部附加"Mj^纖的用作溫度計 算的參考。
圖3c示出與圖3b所示的反向，曲對目對應(yīng)的溫度。正如上面所討論，
該溫度的計算是才娥斯托克司和^f托克司絲進fl^。所示的數(shù)據(jù)的范圍是0
至約4350個光纖位置，測量的溫度范圍在約22.3至約53
圖4示出所測數(shù)據(jù)集的幅度的圖示，其中N個數(shù)據(jù)點(0至N-l個光纖位 置)的^^都^J^數(shù)^， ^表示了所測的響應(yīng)的相#幅度。
圖5a示出包含圖1所示的系統(tǒng)的測試iti， M將其示出為^H^單元11。 測量光纖51包括約4200m光纖的初始部分，^跟著多對可K寸的線環(huán) 10m、 5m、 3m、 1.5m。對于每對線環(huán)， 一個線環(huán)53 ;^i在室溫下，另一個線 環(huán)54;M4約50度的烤箱52內(nèi)。利用該iM,可以通過確定系斷烤箱內(nèi)四 個線環(huán)的分辨能力以及報告烤箱以及環(huán)^確溫度的能力^究系統(tǒng)的精確度 和空間，率。圖5b是由這種測試所得的所測溫JL^布曲線圖。對應(yīng)于這四個 線環(huán)，分別在約4220、 4225、 4282、 4310的光纖位置Hf到一系列^M^窄的 峰。對于每傳，溫度的讀lfc^布在約47度到52度的范圍內(nèi)。
圖6a ^L才^t^^發(fā)明的用于圖1所述的OFDR系統(tǒng)的測*^|^據(jù)處^^^ 的^f呈圖。^it核'J子中，原始數(shù)據(jù)序列由從DC到較高值f—x(N血-l)的頻率
數(shù)據(jù)《賦，填^^列由從f鯽xNd3到f鄉(xiāng)xN的頻^t據(jù)^A。在步驟61中，預(yù)
iM初始數(shù)據(jù)序列和^i數(shù)據(jù)序列中的數(shù)據(jù)點數(shù)量Nda和N。在步驟62中，將
計數(shù)器變量i設(shè)置為0。在步驟63和64中，配置系統(tǒng)的硬件，以測量頻率ixfstep，
其中fstep由最高所測頻率fstop除以N給出。選#^高頻率f鄉(xiāng)，以提供希望的系 統(tǒng)空間M率dz:心^/(4. ./鄉(xiāng))，其中c為M, 為被測波^t的敘(光
纖的材料)的群速率系數(shù)。在步驟65中，測量光纖的響應(yīng)，即M光。通過測 量的帶寬確定對于單頻所釆集的數(shù)據(jù)量。步驟66包括數(shù)梧的獲W^處理，該 數(shù)據(jù)的獲取包M過數(shù)字處理單元訪問AD ^"換器的^^^值，該數(shù)^g處理諸
如是才娥測量帶寬對樣^i行平均、對每個頻率點的相wnm^用校準因子、
以及創(chuàng)建與參考信道的相^V或幅度的關(guān)系。在步驟67和68中，增大計數(shù)器 變量，并測"i^i否應(yīng)該測量另一個數(shù)據(jù)點。在步驟69中，通it^I填充序列對原 始數(shù)據(jù)序列進^t真充，生成a數(shù)據(jù)序列。在步驟601中，處理^t數(shù)據(jù)序列，
以確定溫y^^布曲線圖。圖7a-d示出對于不同的N&值，利用圖6 ^fe^的禾聘獲得的圖5a所示的 設(shè)置的溫;t^布曲線圖的繪圖。這些分布曲線圖具有以下共同的設(shè)定N=4096， 所有的分布曲線圖中f一-32MHz,測量帶寬為128Hz。將填充序列的值4^設(shè) 為l+j。作為參考，圖7a的溫;t^布曲線圖;lj殳有應(yīng)用本發(fā)明而測量的，所以 Nda-N。該系統(tǒng)的整個周期時間為59.6秒。在圖7b中，N^-N/2，使得測量時 間降為32.1秒。tb^圖7a和7b的分布曲線圖示出，+KUi^微小的偏差， 該偏差在參火突檢測的應(yīng)用中傾向于是不重要的。在圖7c中，Nda=N/3，使 得測量時間降為22,6秒。t嫩圖7a和7c的曲線示出4"值稍孩沐所加寬，并且 峰值之間的噪聲稍孩沐所增加。噪聲的增加據(jù)推測是由于sinc函數(shù)的側(cè)lfii^ 的，^可以,皮"i)U^與^^^值i^f亍4^,所述的sine由函數(shù)的傅立葉變換產(chǎn) 生，對于原始數(shù)據(jù)序列中的所有頻賴，該函數(shù)的值為l，對于經(jīng)數(shù)據(jù)序列中 的所有頻賴，該函數(shù)的值為l+j。在圖7d中，N^N/4，使得測量時間降為 18.1秒。t傲圖7a和7d的分布曲線圖示出相比圖7b和7c,峰^li之間的噪聲有 所增加。
在圖7b-d中，l+j^UU作填雄。然而，在原^Ji， ^W吏噪聲J橫為最 小的值都可以被^^/f吏用。圖10a-c示出采用由l+j作為i真^直而紐成的i真充 序列，通過圖6所示的程序從圖5所示的詔！獲得的^1數(shù)據(jù)序列的次生的幅 度圖(a)、相位圖(b)以;5L^斤得的溫度分布曲線圖(c)。該所得的溫度分布曲 線圖示出噪聲朝向光纖終端增加，并且由于位于烤箱中的線環(huán)(見圖5)it^了 四^HH直。類^^L，圖lla《示出相同的曲線圖，只是使用原始數(shù)據(jù)序列中上次 數(shù)據(jù)點的tl^bM目位替換l+j作為填絲。從圖10c和llc的》嫩中可以看出， 由于a數(shù)據(jù)序列越平滑，IFFT引入的噪聲越少。圖12a-c示出相同的曲線圖， 只是^^)前次測量的數(shù)據(jù)序列作為填充序列。與圖llc相比，圖12c中的噪聲 增加，可能是由于高頻的相位中的相對較高的噪聲引起的?？梢酝茢嗟贸?，對 高頻使用無噪聲的填充序列，可以得到相對平滑的次生數(shù)據(jù)序列，這同時可以 提供噪聲斷氐。對于在內(nèi)插中^^預(yù)置的填M的另一個替^"案可以是^^J 模型才^f氐頻的測量來預(yù)測高頻的測量值。
圖8 A^M^^發(fā)明的用于圖1所迷的OFDR系統(tǒng)的測量和數(shù)據(jù)處^^I^的 ^f^呈圖。^i^H^子中，原始數(shù)據(jù)序列包括每隔一個的數(shù)據(jù)點，M數(shù)據(jù)序列 用前次周期中測量的數(shù)據(jù)填^N^I數(shù)據(jù)點中。在步驟801中，詔文填^列和狄數(shù)據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)量的值。在步驟802中，初始化計數(shù)器變量i和k， 其中k^UD于對周期進行追蹤，使得測量的數(shù)據(jù)點的位置可以在周期之間交替 變化。步驟803至806與參照圖4a所討論的步驟43至46相對應(yīng)。在步驟807
中，檢查當^^個周期^il行。對于第一周期k=o，使得測量;^i數(shù)據(jù)序列中
的所有值。對于不同于O的k值，i=+2,從而當包^#驟803至810的循環(huán)逸 行時測量每隔一個的數(shù)據(jù)點。當已^^取了希望的數(shù)據(jù)點量N血時，糾步驟 810^^呈序指向步驟814至816，步驟814至816對k進4ti議，使^^Ht步驟 811-813在i=0或i=l時開始下一個周瓶逸就導(dǎo)致了原始數(shù)據(jù)序列的交替測量。 步驟817對除了第一周期以外的{樹周瓶用前次測量的數(shù)據(jù)對原始數(shù)據(jù)序列 進^t真充。在當前的例子與本發(fā)明的其它實施例，諸如關(guān)于圖4a所討^填充 方法相結(jié)合的情況下，可以包^#驟818。步驟819可以是對頻^V或空域中 的數(shù)據(jù)的^f^適合的數(shù)據(jù)處理，諸如對g數(shù)據(jù)序列進行IFFT、計算諸:^顯度 ^L類的物理員的分布曲線圖、以及^^rl^f氐噪聲等等。M地，步驟819的 數(shù)據(jù)處理包括光纖斷裂測試。在測量光纖斷裂的情況下，在頻域中不能清楚地 識別光纖減小的長度，并且當減小長度的測量與先前進行的4^P長度的測對目 結(jié)合時，可能會對物理^lt給出4W的測量。該光纖斷裂測試^A可靠^^r
引起的，和/或頻率數(shù)據(jù)的ttA否可負^t纖斷裂引起的。適合的測試包括基 于反向，分布曲線圖的分析，確^it纖的計算端與前次測量的周期相比的變 化。在確定^l^jl^的情況下，^^W當前的測量連接，并對M數(shù)據(jù) 序列中所有數(shù)據(jù)點;tiWf測量。
在光纖斷裂的情況下，系統(tǒng)to^完成全部測量，其中對次生數(shù)據(jù)序列中 的所有數(shù)據(jù)點進行再測量。
圖9a和9b示出通過圖8的禾1^獲得的圖5的設(shè)置的溫;t^^布曲線圖的繪 圖。對于兩種情況，N=4096， fstop=32MHz，帶寬-128Hz。圖9a是參考測量，
其中a數(shù)據(jù)序列的所有數(shù)據(jù)都e^皮測量，使得不應(yīng)用本發(fā)明，而是將圖8的
程序應(yīng)用到圖9b中。除了個別峰值的溫度值有微小偏差"卜，圖9a和9b之間 財沒有明顯差別，從而支持了圖8的禾I^對于I^f^期時間會是合適的。
權(quán)利要求
1. 一種對由FMCW獲得的數(shù)據(jù)序列進行處理的方法，該數(shù)據(jù)序列包含來自一個或多個信道的數(shù)據(jù)點，該方法包括a. 測量對應(yīng)于調(diào)制頻率的Nda個不同值{fm，0，fm，1，fm，n...，fm，N_da}的若干個數(shù)據(jù)點，從而從每個信道獲得至少一個原始數(shù)據(jù)序列；b. 對至少部分所述的原始數(shù)據(jù)序列執(zhí)行一個或多個處理步驟，以獲得至少一個包含對于調(diào)制頻率值{f0，f1，fn...，fN}的N個數(shù)據(jù)點的次生數(shù)據(jù)序列；c. 對所述的次生數(shù)據(jù)序列執(zhí)行從頻域的變換，以便在空域中獲得至少一條反向散射曲線；d. 選擇性地將所述反向散射曲線與一個或多個物理特性相關(guān)，作為位置的函數(shù)，其中N>Nda。
2. 權(quán)矛溪求l的方法，其中所述的處理步驟包括將具有不包含在{"， f叫"fm，n...， f,"中的調(diào)制頻賴的填狄列仏。，&， V..f,一"填^^數(shù)據(jù)點中。
3. ;fcf'J^求2的方法，其中所述的填^列包括先前測量的數(shù)據(jù)點。
4. 權(quán)利要求2或3中^^可一個的方法，其中所述的填充序列包插寸于一個 或多個數(shù)據(jù)點所預(yù)先i^t的值，諸如l，0和/或l+j。
5. ;K^要求2或4中l(wèi)^j"一個的方法，其中所述的填充序列包括基于原始 數(shù)據(jù)序列和/或一個或多個原先測量的數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)點，*內(nèi)#<1、平均tf^/ 或最接近的測量數(shù)據(jù)點的值。
6. 權(quán)矛溪求2至5中^f可一個的方法，其中該填^列和原始數(shù)據(jù)序列包 ^^重疊的頻率間隔，其中，填充序列的數(shù)據(jù)點的平均間隔為Aff,原始數(shù)據(jù)序列 的數(shù)據(jù)點的平均間隔為Afm，其中Aff差^^等于Afm。
7. 相3'J^求2至6中任何一個的方法，其中填充序列和原始數(shù)據(jù)序列包含 重疊的頻率間隔，其中，填充序列的數(shù)據(jù)點的平均間隔為Aff,原始數(shù)據(jù)序列的數(shù)據(jù)點的平均間隔為Afm，其中，Aff小于或等于Afm，諸如Aff小于或等于丄Afm，諸如小于或等于丄Afm，諸如小于或等于丄Afm，諸如小于或等于丄Afm，諸如小于或等于丄AL，諸如小于或等于Ufm，諸如小于或等于丄Afm，諸如小于或等于丄Afm, "^H、于或等于丄Afm， iH口小于或等于丄Afm，諸如小于或等于丄Afm，諸如小于或等于丄Afm,諸如小于或等于丄Mm。
8. 權(quán)利要求2至6中^f可一個的方法，其中填M列和原始數(shù)據(jù)序列包含 重疊的頻率間隔，其中，填充序列的數(shù)悟點的平均間隔為Aff，原始數(shù)據(jù)序列的數(shù)悟點的平均間隔為AL，其中Aff大于或等于Afm，諸如Aff大于或等于2Afm，諸如Aff大于或等于3.Afm ，諸如Aff大于或等于4.Afm ，諸如Aff大于或等于5，Afm ， 諸如Aff大于或等于6.Afm ，諸如Aff大于或等于7*Afm ，諸如Aff大于或等于8，Afm ， 諸如Aff大于或等于9.Afm ， iH。 Aff大于或等于10'Afm 。
9. '虔求2至8中4封可一個的方法，其中填M列和原始數(shù)據(jù)序列包含 重疊的頻率間隔，其中填充序列中數(shù)據(jù)點的數(shù)目等于或大于原始數(shù)據(jù)序列中數(shù) 據(jù)點的數(shù)目，諸如等于或大于原始數(shù)據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的2倍，刺口等于或大 于原始數(shù)據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的3倍，諸如等于或大于原始數(shù)據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù) 的4倍，諸如等于或大于原始數(shù)據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的5倍，諸如等于或大于原 始數(shù)據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的10倍。
10. 權(quán)矛虔求2至9中^^T一個的方法，其中填M列和原始數(shù)據(jù)序列包 含重疊的頻率間隔，其中原始數(shù)據(jù)序列中數(shù)提點的數(shù)目等于或大于填充序列中 數(shù)據(jù)點的數(shù)目，諸如等于或大于填^lt據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的2倍，諸如等于或 大于填^t據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的3倍，射。等于或大于填^lt據(jù)序列中數(shù)據(jù)點 數(shù)的4倍，iH。等于或大于填^t據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的5倍，i射。等于或大于 填^Jt據(jù)序列中數(shù)據(jù)點數(shù)的10倍。
11. 權(quán)利要求6或10的方法，其中所述的重疊頻率間隔的開始頻率為f^，終止頻率為f,,其中f,是fN的分數(shù)，諸如Hk、 2fN、 IfN、丄fk。
12. ']^求6至11中任何一個的方法，其中所述的重疊頻率間隔的開始頻率為fnUn，終止頻率為f,，其中，fmta是O或者是fN的分數(shù)，*2 fN、丄fN、
13. 權(quán)矛決求1至12中^^可一個的方法，其中確定至少一個反向，分布 曲線圖，以將先前確定的物理特性更新為位置的函數(shù)。
14. 權(quán)矛凌求13的方法，其中測賴制頻率集(W, W， JU…，fmiN—da}與用于將先前確定的物理特性確^H 位置的函數(shù)的測量的調(diào)制頻率集IJ^M目 同。
15. 似'J^求14的方法，其中測量的調(diào)制頻率集(fm,O， W， f卿…，fm>N—da} 與用于將先前確定的物理特性確定為位置的函數(shù)的測量調(diào)制頻率集以下面至少 一種方式而不同測量的調(diào)制頻率的數(shù)量， 一個或多個測量的調(diào)制頻率的值被 忽略，以及一個或多個測量的調(diào)制頻率的值被添加。
16. —種FMCW系統(tǒng)，包括至少一個'^b^源^H^單元，所述"^包含 一個或多^Hf號處理單元，其中一個或多個所述的信號處理單元包括用于^f亍 權(quán)利要求1至15中^^可一個的方法的代碼。
17. —種FMCW反向IUt測量系統(tǒng),諸如光學(xué)FMCW反向，測量系統(tǒng)， 包^i十^^L可讀介質(zhì)，該介質(zhì)Ji^ft有l(wèi)^m^J^求1至15中4樹一個方法的 計脅可讀餅輛。
18. —種計^4^誘產(chǎn)品，包括用于^ff^5U'J^求l至15中任何一個方法 的計^^L可讀禾1^P^馬。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于將物理特性作為位置函數(shù)確定的確定物理特性的方法和系統(tǒng)，其中由FMCW獲得數(shù)據(jù)序列。該數(shù)據(jù)序列包含來自一個或多個信道的數(shù)據(jù)點，該方法包含測量對應(yīng)于調(diào)制頻率的N_da個不同值的若干個數(shù)據(jù)點，對至少部分所述的原始數(shù)據(jù)序列執(zhí)行一個或多個處理步驟，以獲得至少一個包含對于調(diào)制頻率值的N(N＞N_da)個數(shù)據(jù)點的次生數(shù)據(jù)序列，對所述的次生數(shù)據(jù)序列執(zhí)行從頻域的變換，以便在空域中獲得至少一條反向散射曲線，選擇性地將所述反向散射曲線與一個或多個物理特性相關(guān)，作為位置的函數(shù)。
文檔編號G01K11/32GK101470030SQ20081021541
公開日2009年7月1日 申請日期2008年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日
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