光學(xué)頻域反射計(jì)(ofdr)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于光學(xué)分析的系統(tǒng)，更具體而言，本發(fā)明涉及一種光學(xué)頻域反射計(jì) (OFDR)系統(tǒng)，以及用于獲得光學(xué)頻域反射計(jì)數(shù)據(jù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光學(xué)頻域反射計(jì)（OFDR)中，來(lái)自可調(diào)諧激光源的光耦合到測(cè)量纖維中，或者更 具體而言，耦合到被測(cè)設(shè)備（DUT)中，并且使反射或背散射的光與來(lái)自相同的源的已經(jīng)沿 參考路徑行進(jìn)的產(chǎn)生與纖維或DUT有關(guān)的信息的光進(jìn)行干涉。
[0003] 對(duì)于在纖維上的測(cè)量而言，在激光源的頻率在時(shí)間上被線(xiàn)性?huà)呗拥那闆r下，在來(lái) 自測(cè)量纖維上的單個(gè)固定的散射點(diǎn)的光與參考光之間的干涉創(chuàng)建出具有恒定頻率的探測(cè) 器信號(hào)，這一頻率與光沿測(cè)量路徑的行進(jìn)時(shí)間與沿參考路徑的行進(jìn)時(shí)間的差成比例。由于 光的傳播速度以及參考路徑的長(zhǎng)度是已知的，所以能夠從觀測(cè)的頻率計(jì)算出散射點(diǎn)的位 置。
[0004] 當(dāng)多個(gè)散射體存在于測(cè)量纖維中時(shí)，探測(cè)器信號(hào)是不同頻率的交疊，每個(gè)頻率指 示各散射體的位置。能夠計(jì)算探測(cè)器信號(hào)（"散射輪廓"）的傅里葉變換；在經(jīng)變換的信號(hào) 的幅度以及相位的曲線(xiàn)圖中，存在于探測(cè)器信號(hào)中的不同頻率的幅度以及相位（其對(duì)應(yīng)于 不同散射體位置）將沿曲線(xiàn)圖的橫軸被示出在它們各自的位置處。
[0005] 散射的光的幅度以及相位能夠受作用于纖維上的外部影響的影響。例如，當(dāng)外部 壓力使纖維變形時(shí)，或者當(dāng)纖維的溫度被修改時(shí)，將看到在散射輪廓的相位和/或幅度上 的影響。根據(jù)纖維的散射輪廓與相同的纖維在參考狀態(tài)中的散射輪廓的比較，能夠獲得與 纖維上的作為沿纖維的位置的函數(shù)的外部影響有關(guān)的信息，即，纖維能夠用于分布式感測(cè)。
[0006] 當(dāng)壓力施加于光纖時(shí)，例如當(dāng)光纖彎曲時(shí)，引起雙折射，所述雙折射通常將導(dǎo)致沿 纖維行進(jìn)的光的偏振狀態(tài)的變化。在到達(dá)探測(cè)器后在纖維的不同位置處散射的光的偏振狀 態(tài)也將變化。因此，從感測(cè)纖維的特定部分反射的光在探測(cè)器處可以具有偏振狀態(tài)，所述偏 振狀態(tài)（接近）正交于經(jīng)由參考路徑到達(dá)探測(cè)器的光的偏振狀態(tài)。從而，來(lái)自感測(cè)纖維的 這些特定部分的干涉信號(hào)的強(qiáng)度將非常低。針對(duì)"偏振衰落"的這一問(wèn)題的一種已知解決 方案是偏振分集探測(cè)，通常在具有針對(duì)由偏振射束分裂器（PBS)發(fā)射的兩個(gè)偏振狀態(tài)的獨(dú) 立探測(cè)器的PBS的實(shí)施例中。
[0007] 在雙折射纖維中，折射率取決于光的偏振狀態(tài)。從而，在修改被傳送到測(cè)量纖維中 的光的輸入偏振狀態(tài)之后，在偏振分集測(cè)量中的探測(cè)器信號(hào)的傅里葉變換的相位將變化。 為了準(zhǔn)確評(píng)定外部影響在纖維屬性上的效應(yīng)，需要執(zhí)行兩個(gè)測(cè)量；對(duì)于第二測(cè)量而言，使被 傳送到纖維的光的輸入偏振狀態(tài)正交于用在第一測(cè)量中的偏振狀態(tài)。以這一方式，獲得四 個(gè)探測(cè)器信號(hào)（針對(duì)兩個(gè)輸入偏振狀態(tài)中的每個(gè)有兩個(gè)探測(cè)器信號(hào)）?？梢詮倪@些四個(gè)信 號(hào)的傅里葉變換計(jì)算出單個(gè)有效散射輪廓，當(dāng)相比于參考狀態(tài)的有效散射輪廓時(shí)，所述單 個(gè)有效散射輪廓提供與在纖維上的作為位置的函數(shù)的外部影響有關(guān)的期望信號(hào)。例如查看 專(zhuān)利申請(qǐng)US2011/0109898A1。然而在特定情形下，在第一測(cè)量與第二測(cè)量之間的中間測(cè)量 時(shí)間的長(zhǎng)度可能不利地影響結(jié)果的可靠性。類(lèi)似地，對(duì)兩個(gè)測(cè)量、而不是單個(gè)測(cè)量的依賴(lài)性 也能夠降低能夠可靠地重復(fù)測(cè)量過(guò)程的有效率，例如，如果一個(gè)測(cè)量（即，掃描）被損壞，由 于例如錯(cuò)誤探測(cè)器信號(hào)，波長(zhǎng)校準(zhǔn)和/或線(xiàn)性化能夠是不準(zhǔn)確的或不可用的，那么必須重 復(fù)整個(gè)測(cè)量過(guò)程。
[0008] WO 2007/149230公開(kāi)了一種具有被分析的兩個(gè)偏振狀態(tài)的偏振保持（PM)光纖。 確定了 PM纖維部分的第一譜響應(yīng)和第二譜響應(yīng)。在優(yōu)選實(shí)施方式中，使用光學(xué)頻域反射計(jì) (OFDR)確定譜響應(yīng)。PM纖維部分的每個(gè)偏振狀態(tài)具有在第一譜響應(yīng)中的對(duì)應(yīng)譜分量。使 用第一譜響應(yīng)和第二譜響應(yīng)執(zhí)行對(duì)PM纖維部分的第一譜分析和第二譜分析?；趯?duì)PM纖 維部分的這些譜分析，與影響纖維部分的第二不同物理特性有區(qū)別的影響PM纖維部分的 第一物理特性被確定。與影響纖維部分的第一物理特性有關(guān)的輸出信號(hào)被提供，例如用于 顯不、進(jìn)一步處理等。
[0009] 本發(fā)明的發(fā)明人已意識(shí)到，改進(jìn)的光學(xué)頻域反射計(jì)（OFDR)系統(tǒng)是有益的，并且因 此創(chuàng)造出本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的光學(xué)頻域反射計(jì)（OFDR)系統(tǒng)將是有利的。還期望能夠?qū)崿F(xiàn)工作更加 快速和/或更加準(zhǔn)確的OFDR系統(tǒng)?？傮w而言，本發(fā)明優(yōu)選地尋求單獨(dú)地或以任何組合形式 緩解、減輕或消除上述缺點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)。具體而言，可以將提供一種解決現(xiàn)有技術(shù)的上 述問(wèn)題或其他問(wèn)題的系統(tǒng)和方法看作本發(fā)明的目的。
[0011] 為了更好地解決這些問(wèn)題中的一個(gè)或多個(gè)，在本發(fā)明的第一方面中，提供了一種 光學(xué)頻域反射計(jì)（OFDR)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：
[0012] -光學(xué)輻射源，其能夠發(fā)射在特定波長(zhǎng)帶內(nèi)的光學(xué)輻射，所述輻射源光學(xué)連接到第 一耦合點(diǎn)，所述第一耦合點(diǎn)被布置為將所述輻射分裂為兩部分，
[0013] -參考路徑，所述參考路徑光學(xué)連接到所述第一耦合點(diǎn)，
[0014] -測(cè)量路徑，所述測(cè)量路徑光學(xué)連接到所述第一耦合點(diǎn)，所述測(cè)量路徑還包括光學(xué) 環(huán)行器，所述環(huán)行器光學(xué)連接到測(cè)量分支，所述測(cè)量分支被布置為基于反射的輻射進(jìn)行測(cè) 量，
[0015] -其中，所述參考路徑與所述測(cè)量路徑光學(xué)耦合在第二耦合點(diǎn)中，
[0016] -光學(xué)探測(cè)單元，其能夠經(jīng)由所述第二耦合點(diǎn)獲得來(lái)自從所述參考路徑和所述測(cè) 量路徑組合的光學(xué)輻射的信號(hào)，
[0017] -其中，所述測(cè)量路徑包括依賴(lài)偏振的光學(xué)路徑長(zhǎng)度移位器（PDOPS)，所述移位器 具有引起或創(chuàng)建針對(duì)在所述測(cè)量路徑中的所述輻射的第一偏振（Pl)和第二偏振（P2)的功 能，所述第一偏振（Pl)不同于所述第二偏振（P2)，并且
[0018] 其特征在于，
[0019] -所述移位器還具有使得針對(duì)在所述測(cè)量路徑中的所述第一偏振（Pl)的所述光 學(xué)路徑長(zhǎng)度相對(duì)于針對(duì)在所述測(cè)量路徑中的所述第二偏振（P2)的所述光學(xué)路徑長(zhǎng)度不同 的功能，所述測(cè)量分支包括光纖，所述光纖被布置為提供沿所述光纖的感測(cè)長(zhǎng)度（I s)的針 對(duì)OFDR的反射，并且其中，所述依賴(lài)偏振的光學(xué)路徑長(zhǎng)度移位器（PDOPS)還被布置使得在 反射譜中的所述第一偏振（Pl)與所述第二偏振（P2)之間的光學(xué)路徑長(zhǎng)度差（A piws)被選 擇從而避免在所述反射譜中的所述第一偏振（Pl)與所述第二偏振（P2)之間的交疊。
[0020] 本發(fā)明尤其，但不唯一地對(duì)于獲得改進(jìn)的光學(xué)頻率反射計(jì)（OFDR)系統(tǒng)而言是有 利的，在所述光學(xué)頻率反射計(jì)系統(tǒng)中，例如，可以在輻射源的相同掃描，例如激光掃描中執(zhí) 行針對(duì)輸入偏振的兩個(gè)測(cè)量。為了使這成為可能，合適的部件被增加到干涉儀的測(cè)量分支， 在所述分裂器與所述環(huán)行器之間，使得（1)創(chuàng)建或引起兩個(gè)偏振狀態(tài)，并且（2)針對(duì)這兩個(gè) 偏振狀態(tài)在所述測(cè)量路徑中的所述光學(xué)路徑長(zhǎng)度不同，其中，所述分裂器將所述輻射分配 在所述參考路徑或臂和所述測(cè)量路徑或臂上，所述測(cè)量分支（例如，所述感測(cè)纖維）附接于 所述環(huán)行器。
[0021] 值得一提的是直到現(xiàn)在OFDR系統(tǒng)具有若干不足：
[0022] -第一，測(cè)量針對(duì)兩個(gè)正交輸入狀態(tài)的纖維屬性需要兩個(gè)獨(dú)立測(cè)量。因?yàn)檫@些測(cè)量 在時(shí)間中被分開(kāi)，在纖維的環(huán)境中的變化（例如，由于有意的纖維移動(dòng)、無(wú)意的振動(dòng)、溫度 變化等）將導(dǎo)致兩個(gè)測(cè)量之間的額外的差。在分析中，假定所述差僅僅由輸入偏振的變化 引起，從而導(dǎo)致從所述兩個(gè)分開(kāi)的測(cè)量的信號(hào)計(jì)算的單個(gè)有效散射輪廓中的錯(cuò)誤。
[0023] -第二，另一個(gè)不足與在測(cè)量值中的一些被損壞的情況下的有效更新率有關(guān)。通過(guò) 針對(duì)每個(gè)激光掃描在兩個(gè)正交輸入狀態(tài)之間交替，能夠從每個(gè)新的激光掃描及先前掃描計(jì) 算出經(jīng)更新的單個(gè)有效散射輪廓。然而，當(dāng)單個(gè)測(cè)量值被任何影響（例如，激光跳模、強(qiáng)振 動(dòng)等）損壞時(shí)，必須丟棄兩個(gè)經(jīng)更新的有效散射輪廓，從而降低了有效更新率。
[0024] -第三，相比于現(xiàn)有技術(shù)解決方案，本發(fā)明的額外優(yōu)點(diǎn)是在兩個(gè)輸入偏振之間不能 夠出現(xiàn)校準(zhǔn)中的差，從而移除可能的不準(zhǔn)確的來(lái)源。
[0025] 因?yàn)橄啾扔谶M(jìn)行OFDR測(cè)量的先前方式，能夠在相對(duì)短的時(shí)間期間測(cè)量在所述測(cè) 量路徑中，尤其是在所述測(cè)量分支中的所述第一偏振（Pl)以及所述第二偏振（P2)的效應(yīng)， 所以本發(fā)明可以減輕或克服這些不足。
[0026] 在本申請(qǐng)的上下文中，應(yīng)理解，所述輻射源的所述波長(zhǎng)帶的掃描可以被認(rèn)為包括 但不限于波長(zhǎng)的在適當(dāng)區(qū)間中的基本上連續(xù)的變化。在實(shí)踐狀況下，還應(yīng)理解，掃描還可以 被認(rèn)為是以固定順序，通常從區(qū)間的一端到另一端優(yōu)選均勻分布、被測(cè)量的相當(dāng)大數(shù)量的 波長(zhǎng)。
[0027] 在本申請(qǐng)的上下文中，應(yīng)理解，第一偏振與第二偏振的從依賴(lài)偏振的光學(xué)路徑長(zhǎng) 度移位器（PDOPS)得到的偏振差在一些情況中可以例如由偏振控制器（pc)引起，并且在其 他情況中可以例如由偏振射束分裂器（PBS)創(chuàng)建，如將由光學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解的。
[0028] 在本申請(qǐng)的上下文中，應(yīng)理解，光學(xué)環(huán)行器是非可逆光學(xué)部件，其中，從第一端口 進(jìn)入的輻射或光從第二端口離開(kāi)，并且然后，在經(jīng)由第二端口重新進(jìn)入光學(xué)環(huán)行器后，輻射 從第三端口離開(kāi)環(huán)行器，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)入所述第一端口的輻射與離開(kāi)所述第三端口的輻射之 間的隔離。光學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到，各種合適的光學(xué)環(huán)行器可以應(yīng)用于本發(fā)明的上 下文中。
[0029] 在本申請(qǐng)的上下文中，應(yīng)理解，光學(xué)路徑長(zhǎng)度（OPL)可以被認(rèn)為是輻射或光通過(guò) 其傳播的介質(zhì)的幾何長(zhǎng)度與折射率的乘積。光學(xué)路徑長(zhǎng)度是重要的，因?yàn)楫?dāng)其傳播時(shí)其確 定光的相位并且操縱光的干涉和衍射。
[0030] 在本申請(qǐng)的上下文中，應(yīng)理解，取決于環(huán)境及對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用，偏振，例如第一偏 振和第二偏振可以是線(xiàn)性、圓形或