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Allgemeiner
Stand der Technik
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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft allgemein optische Sensoren und insbesondere
inferometrische Sensoren zum bestimmen äußerer Einflüsse.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Mit
der zunehmenden Verbreitung faseroptischer Systeme sind verschiedene
Arten optischer Sensoren immer gebräuchlicher geworden. Heutzutage
können
verschiedene Arten von Sensoren Faserlängen, Bruchstellen, Rissstellen
und Unregelmäßigkeiten
in optischen Fasern, Temperatur, Druck, Faserausdehnung, Attribute
chemischer Spezies und dergleichen erkennen.
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Optische
Fasern können
verschiedenen äußeren Einflüssen unterworfen
sein, die je nach der Art und Größenordnung
der Störung
geometrische Veränderungen
(zum Beispiel der Größe oder
Form) und/oder optische Veränderungen
(zum Beispiel des Brechungsindex' oder
der Modenkonversion) an der Faser hervorrufen können. Obgleich diese Effekte
in Kommunikationsanwendungen oft als parasitär (d. h. rauscherzeugend) angesehen
werden, kann die Reaktion der Fasern auf äußeren Einfluss bei Sensoranwendungen
so verstärkt
werden, dass die resultierende Änderung
der optischen Eigenschaften als eine Messgröße für den äußeren Einfluss genutzt werden
kann.
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Optische
Fasern können
deshalb als Messwandler fungieren, die Effekte wie beispielsweise Temperatur,
Zugbelastung, Dehnung, Rotation oder elektrische oder magnetische
Ströme
in entsprechende Änderungen
von optischen Effekten umwandeln. Da Amplitude (Intensität), Phase,
Frequenz und Polarisation in der Regel Licht charakterisieren, können einer
oder mehrere dieser Parameter aufgrund äußerer Einwirkungen verändert werden.
Die Brauchbarkeit des faseroptischen Sensors hängt darum von der Größenordnung
dieser Änderung
sowie von der Fähigkeit
ab, die Änderung
zuverlässig
und präzise
zu messen und zu quantifizieren.
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Viele
verschiedene Arten von Sensoren, die auf faseroptischen Technologien
basieren, sind einschlägig
bekannt. Zu diesen Sensortechniken, die bereits seit einiger Zeit
bekannt sind, gehören
Interferometer, die in der Regel verschiedene Phänomene durch Erfassen von Phasenänderungen
oder Interferenzmustern zwischen mehreren optischen Signalen detektieren,
die den Sensor durchlaufen. In der Vergangenheit sind Interferometer
weithin benutzt worden, um Entfernung, Neigung, Rotation und dergleichen
zu bestimmen. Seit etwa 1980 sind interferometrische faseroptische
Gyroskope (IFOGs) weithin im Einsatz, um Rotation zu detektieren.
Solche Sensoren haben sich als besonders nützlich für das Erzeugen von Trägheitsnavigationsdaten
erwiesen, die zum Führen
von Flugzeugen, Automobilen, sonstigen Verkehrsmitteln, Senkbohrvorrichtungen,
Robotern und dergleichen verwendet werden können. In vielen Patenten werden
verschiedene Ausführungsformen
von IFOGs beschrieben, unter anderem in den US-Patenten Nr. 6,211,963
und Nr. 6,175,410.
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Faseroptische
Zugbeanspruchungssensoren auf der Basis von Braggschen Faserbeugungsgittern
werden gleichermaßen
seit einigen Jahren verwendet. Solche Sensoren tauchen in der Regel ein
Braggsches Beugungsgitter, das mit einem optischen Sensor verbunden
ist, in eine zu erfassende Umgebung ein. In dem Maße, wie
die Umgebungsbedingungen die optischen Eigenschaften des Braggschen
Beugungsgitters ändern, ändert sich
die Wellenlänge
des Lichts, das von dem Beugungsgitter reflektiert wird. Deshalb
kann ein Ausgangssignal, das auf der Wellenlänge von reflektiertem Licht
basiert, eine Eigenschaft der erfassten Umgebung anzeigen. Solche
Sensoren weisen allerdings eine Reihe deutlicher Nachteile auf.
Sie sind zum Beispiel in der Regel teuer, schwierig herzustellen
und erfordern Messungen der Lichtwellenlänge, deren exakte Messung in
der Praxis schwierig ist. Dementsprechend waren Sensoren auf der
Basis Braggscher Beugungsgitter in der Regel für die meisten preisgünstigen
Anwendungen ungeeignet. Ein weiteres Beispiel eines interferometrischen
Sensors findet sich in der Offenbarung "Die physikalischen Grundlagen der elektrooptischen
Entfernungsmessung" von
A. Karolus, 1958, Verlag der Bayerischen Akademie der Wissenschaften,
München
(Deutschland), XP002242824. Darum wird für eine Vielzahl verschiedener
Anwendungen ein relativ einfacher und kostengünstiger interferometrischer
Sensor benötigt,
der präzise
ist und der eine hohe Auflösung
aufweist.
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Dementsprechend
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erfassen eines äußeren Einflusses
auf ein Sensorelement bereit, wobei das Verfahren Folgendes aufweist
Inkontaktbringen
des Sensorelements mit dem äußeren Einfluss;
Einspeisen
eines Lichtsignals in das Sensorelement;
Modulieren des Lichtsignals
mit einem Modulationsansteuerungssignal, wobei das Modulationsansteuerungssignal
das Lichtsignal mit einer Phasenverschiebung zwischen 0 und π (exklusive)
verzerrt;
Beobachten der entstehenden zeitveränderlichen Ausgangswellenform
in einem optischen Detektor, auf den das Lichtsignal auftrifft;
Bestimmen
einer Pfadlänge
des Lichtsignals von der zeitveränderlichen
Ausgangswellenform als eine Funktion des Modulationssignals; und
Erzeugen
eines Ausgangssignals, das für
die äußere Einwirkung
bezeichnend ist, auf der Grundlage der Pfadlänge.
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Vorzugsweise
weist das Bestimmen einer Pfadlänge
des Weiteren das Justieren des Modulationsansteuerungssignals auf,
um eine Eigenfrequenz des Lichtsignals zu bestimmen.
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Die
verschiedenen Merkmale und Vorteile werden unten in der folgenden
detaillierten Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen,
die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungsfiguren zu lesen
ist, beschrieben. In den Figuren dienen in den verschiedenen Ansichten
gleiche Bezugszahlen zum Bezeichnen gleicher oder ähnlicher
Teile.
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1 ist
ein Blockschaubild eines beispielhaften Sensors.
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2A ist
ein Blockschaubild einer zweiten beispielhaften Ausführungsform
eines Sensors.
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2B ist
ein Blockschaubild einer dritten beispielhaften Ausführungsform
eines Sensors.
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2C ist
ein Blockschaubild einer vierten beispielhaften Ausführungsform
eines Sensors, der mit Doppelbrechungsmodulation arbeitet, wobei
die beiden Pfade 112 und 114 der TE- bzw. der
TM-Polarisationsmodus
sind.
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3 ist
eine Kurvendarstellung verschiedener Leistungscharakteristika für einen
beispielhaften Sensor.
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4 ist
eine Kurvendarstellung verschiedener beispielhafter Modulationssignale
bei einer "geeigneten" Frequenz.
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5 ist
eine Kurvendarstellung verschiedener beispielhafter Modulationssignale,
die sich nicht auf einer "geeigneten" Frequenz befinden.
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6 ist
eine Kurvendarstellung verschiedener Leistungscharakteristika für einen
beispielhaften Sensor, der nicht mit der "geeigneten" Frequenz arbeitet.
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7 ist
ein Blockschaubild eines beispielhaften Dehnungssensors.
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8 ist
ein Blockschaubild eines beispielhaften LIDAR.
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9 ist
ein Blockschaubild eines beispielhaften Faserbruchdetektors.
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Die
vorliegende Erfindung kann anhand von Funktionsblockkomponenten
und verschiedener Verarbeitungsstufen beschrieben werden. Solche
Funktionsblöcke
können
durch eine Anzahl von Hardware- und/oder
Softwarekomponenten realisiert werden, die dafür konfiguriert sind, die spezifizierten Funktionen
auszuführen.
Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung verschiedene integrierte
Schaltkreis- oder optische Komponenten, beispielsweise Speicherelemente, Verarbeitungselemente,
Logikelemente, Nachschlagetabellen und dergleichen, verwenden, die
eine Vielzahl verschiedener Funktionen unter der Steuerung eines
oder mehrerer Mikroprozessoren oder sonstiger Steuerungsbausteine
ausführen
können.
Gleichermaßen
können
die Softwareelemente der vorliegenden Erfindung mit jeder beliebigen
Programmier- oder Scriptsprachen wie beispielsweise C, C++, Java,
Assembler oder dergleichen implementiert werden, wobei die verschiedenen Algorithmen
mit einer beliebigen Kombination aus Datenstrukturen, Objekten,
Prozessen, Routinen oder sonstigen Programmierelementen implementiert
sind. Des Weiteren könnte
die vorliegende Erfindung eine beliebige Anzahl herkömmlicher
Techniken für
Elektronikkonfiguration, optische Konfiguration, Signalverarbeitung,
Datenverarbeitung und dergleichen verwenden.
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Die
in dieser Spezifikation gezeigten und beschriebenen konkreten Implementierungen
sind Beispiele der Erfindung und sollen ansonsten den Geltungsbereich
der vorliegenden Erfindung in keiner weise einschränken. Aus
Gründen
der Kürze
kann es sein, dass Aspekte herkömmlicher
Elektronik, Optik, Softwareentwicklung und sonstige Funktionsaspekte der
Systeme (und Komponenten der einzelnen Betriebskomponenten der Systeme)
nicht im Detail beschrieben werden. Des Weiteren sollen die Verbindungslinien,
die in den verschiedenen angehängten Figuren
gezeigt sind, beispielhafte Funktionsbeziehungen und/oder physische
oder logische Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen
darstellen. In einer echten Sensorrealisierung kann es viele alternative
oder weitere Funktionsbeziehungen, physische Verbindungen oder logische
Verbindungen geben. Des Weiteren ist ein Teil oder eine Komponente
für die
Praktizierung der Erfindung nur dann wesentlich, wenn das Element
ausdrücklich
als "wesentlich" oder "maßgeblich" beschrieben ist.
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Gemäß verschiedenen
beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung wird ein faseroptischer Sensor (und ein zugehöriges Betriebsverfahren)
bereitgestellt, der einen hoch-reziproken Lichtpfad für zwei oder
mehr Lichtstrahlen in einem Interferometer bildet. Die Pfade, die
von den verschiedenen Strahlen genommen werden, die sich durch den
optischen Abschnitt des Sensors hindurch ausbreiten, können identisch
sein, mit Ausnahme eines Abschnitts des optischen Kreises, der eine
Modulation zwischen den Strahlen induziert. Bei verschiedenen Ausführungsformen
kann eine Modulationstechnik, die auf der "geeigneten" Frequenz basiert, auf geringste Änderungen
der Länge
des optischen Pfades, den das Licht in dem Interferometer nimmt,
ansprechen. Ein solcher Sensor kann in einer Vielzahl von Anwendungen
nützlich
sein, einschließlich
beispielsweise in einem Faserbruchtester, für LIDAR (Lichtdetektion und Entfernungsmessung,
eine Fernerfassungstechnik, die Laserlicht weitgehend in der gleichen
Weise verwendet, in der ein Sonar Schall verwendet oder Radar Funkwellen
verwendet), in einer optischen Messwandlerschaltung oder in einer
beliebigen Anzahl von Druck-, Temperatur- und chemischen Sensoranwendungen.
Jede der verschiedenen herkömmlichen Techniken
(wie beispielsweise Fertigungstechniken, Modulationstechniken und
Signalverarbeitungstechniken), die in Verbindung mit interferometrischen Sensoren
(wie beispielsweise IFOGs) verwendet wurden, kann in Verbindung
mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Des Weiteren können massive
optische Komponenten (Koppler und dergleichen) anstelle der Komponenten
treten, die in verschiedenen alternativen Ausführungsformen beschrieben sind.
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1 ist
ein Blockschaubild einer ersten beispielhaften Ausführungsform
eines interferometrischen Sensors. In 1 enthält ein beispielhafter Sensor 100 zweckmäßigerweise
eine Lichtquelle 102, einen ersten optischen Koppler 104,
eine Photodetektorschaltung 108, die mit einer Photodiode 106 verbunden
sein kann, einen integrierten Optikchip/-baustein 107,
einen zweiten Koppler 120, eine optische Verzögerungsschleife 122,
eine Schnittstelle 124 und einen geeigneten Elektronikprozessor 126,
der ein Sensorausgangssignal 130 erzeugt. Von der Lichtquelle 102 erzeugtes
Licht passiert zweckmäßigerweise
durch den Sensor 100 zu einem Bauelement 150 (wie
beispielsweise eine optische Faser, eine Linse, ein sonstiges Erfassungselement
oder dergleichen), das mit der Schnittstelle 124 verbunden sein
kann. Der integrierte Optikchip 107 kann einen Y-Knoten 110 und
einen oder mehrere Phasenmodulatoren (beispielsweise einen ersten
Phasenmodulator 118 und einen zweiten Phasenmodulator 116)
enthalten, wie in 1 gezeigt. Bei solchen Ausführungsformen
trennt der Y-Knoten 110 Licht in zwei Komponenten (die
sich auf einem ersten Lichtpfad 112 bzw. einem zweiten
Lichtpfad 114 bewegen), die einzeln moduliert werden können, um
Phasendifferenzen zwischen den beiden Strahlen zu erzeugen. Die
getrennten Strahlen können
im zweiten optischen Koppler 120 wiedervereint werden,
so dass der einzige nicht-reziproke Abschnitt des Sensors 100 der
Abschnitt zwischen dem Y-Knoten 110 und dem Koppler 120 ist.
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Nachdem
Licht in das mit der Schnittstelle 124 verbundene Sensorbauelement 150 eingespeist wurde,
kann reflektiertes Licht von dem Bauelement 150 durch den
optischen Abschnitt des Sensors 100 zum Detektor 106 zurückgesandt
werden, wo ein entsprechendes Signal erzeugt wird, das für die Phasendifferenz
zwischen den getrennten Strahlen steht. Diese Phasendifferenz kann
durch den Elektronikprozessor 126 festgestellt und verarbeitet
werden, um die Gesamtpfadlänge
des Lichts zu bestimmen, das sich durch das Bauelement 150 bewegt.
Diese Phasendifferenz kann auch dafür verwendet werden, ein Modulationssignal 128 zu
berechnen, wie weiter unten noch näher beschrieben wird.
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Bei
der Lichtquelle 102 kann es sich um eine beliebige Vorrichtung
handeln, die in der Lage ist, Licht in dem Sensor 100 zu
erzeugen, wie beispielsweise eine Laserdiode (LD), eine Leuchtdiode
(LED), eine Superlumineszenzdiode (SLD) oder dergleichen. Obgleich
kohärentes
Licht oder Licht mit einer beliebigen Kohärenzlänge verwendet werden könnte, erzeugen
verschiedene Ausführungsformen
der Lichtquelle 102 weißes Licht mit einer relativ
geringen Kohärenzlänge (in
der Regel in der Größenordnung
von mehreren hundert Mikron oder weniger), um gewünschte Interferenzmuster
am Detektor 106 zu erzeugen, wie weiter unten noch näher beschrieben
wird. Von der Lichtquelle 102 erzeugtes Licht wird in wenigstens
vier Komponenten im Sensor 100 aufgeteilt, und zwar entsprechend:
(1) erster Lichtpfad 112 aus, erster Lichtpfad 112 zurück; (2)
erster Lichtpfad 112 aus, zweiter Lichtpfad 114 zurück; (3) zweiter
Lichtpfad 114 aus, erster Lichtpfad 112 zurück; und
(4) zweiter Lichtpfad 114 aus, zweiter Lichtpfad 114 zurück. Wenn
die Kohärenz
der Lichtquelle 102 richtig ausgewählt wird, so dass die Kohärenzlänge der
Lichtquelle 102 deutlich kürzer ist als die Pfadlängendifferenz
zwischen den Lichtpfaden 112 und 114, so erzeugt
lediglich die Interferenz der oben genannten Pfade (2) und (3) ein
gewünschtes
Signal im Photodetektor 108. Die spezifische Bandbreite
der Lichtquelle 102 ist relativ zu der konkreten Anwendung,
aber in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist die Lichtquelle 102 eine
Faserlichtquelle, eine Laserdiode (LD) oder eine Superlumineszenzdiode
(SLD). Die Lichtquelle 102 ist mittels einer beliebigen
herkömmlichen
Technik mit der optischen Faser 136 verbunden.
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Optische
Fasern (wie beispielsweise Fasern 132, 134, 136 und 138),
die die verschiedenen Komponenten in dem Sensor 100 verbinden,
können
jede Art von optischen Fasern sein, die in der Lage sind, Licht
zwischen den Komponenten zu leiten. In verschiedenen Ausführungsformen
sind die optischen Fasern Einmodenfasern, die in der Lage sind,
einen einzelnen optischen Modus so zu leiten, dass in dem Sensor 100 keine
verschiedenen Filter benötigt
werden, um gewünschte
Moden zur Signalverarbeitung zu trennen. Bei den optischen Fasern
kann es sich auch um polarisationsbeibehaltende Fasern oder um polarisierende
Fasern handeln, insbesondere bei Ausführungsformen, die kein Polarisationsfilter
in dem optischen Kreis aufweisen (wie beispielsweise die in 1 gezeigte
Ausführungsform).
Wenn keine polarisationsbeibehaltenden optischen Fasern verwendet
werden, so könnten
verschiedene alternative Ausführungsformen
ein optisches Polarisationsfilter an einer beliebigen Stelle in
dem optischen Kreis enthalten, wie zum Beispiel in dem integrierten
Optikchip 107 oder zwischen dem ersten optischen Koppler und
dem Optikchip 108.
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Bei
den Kopplern 104 und 120 kann es sich um beliebige
Kopplungsvorrichtungen handeln, die in der Lage sind, optische Signale
zusammenzuführen, die
sich in verschiedenen Fasern ausbreiten. Zu beispielhaften Kopplern
gehören
herkömmliche
2 × 2-Koppler
von der Sifam Corporation, von JDS Uniphase, Gould usw. Alternativ
können
die Fasern 136/138 und 132/134 zu
einem Koppler zusammengefügt
werden, indem die Ummantelung von jeder Faser an der relevanten
Position für
den Koppler abgezogen wird, die beiden Faserkerne übereinandergelegt
werden und die Kerne unter Einwirkung von Wärme und optionaler Zuglast
miteinander verschmolzen werden. Licht, das von einem der Anschlüsse in einer
ersten Richtung in die Koppler 104/120 eintritt,
wird zweckmäßigerweise
in zwei Teile geteilt, wobei jeder Teil an einem Anschluss auf der gegenüberliegenden
Seite des Kopplers aus dem Koppler austritt. In verschiedenen Ausführungsformen
wird das Licht ungefähr
gleichmäßig zwischen den
zwei gegenüberliegenden
Anschlüssen
geteilt. Bei anderen Ausführungsformen
empfängt
einer der Anschlüsse
mehr oder sogar das gesamte Licht, das den Koppler passiert.
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Der
integrierte Optikchip (IOC) 107 enthält zweckmäßigerweise einen Y-Knoten und
wenigstens einen Modulator 116/118. In verschiedenen
Ausführungsformen
besteht der IOC 107 aus Lithiumniobat (LiNO3)
oder einem sonstigen Material, das die Geschwindigkeit von Licht
in Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Potenzial beeinflusst.
Alternativ kann es sich bei dem IOC 107 um eine beliebige
herkömmliche
optische Splitter-Modulator-Kombination
handeln, wie zum Beispiel ein IOC Modell Nr. SG-150-1-1=k von der
JDS Uniphase Corporation aus San Jose, Kalifornien. Der IOC 107 enthält zweckmäßigerweise
einen Wellenleiter (in 1 als durchgezogene Linie gezeigt)
zum Leiten von Licht von der Quelle 102 durch den Chip
hindurch. Der Pfad kann einen Y-Knoten 110 enthalten, der
Licht vom Koppler 104 in zwei Pfade 112 und 114 teilt.
Der Y-Knoten 110 kann
auch nach Bedarf Licht wiedervereinen, das auf den Pfaden 112 und 114 empfangen
wird. Es können
auch ein oder mehrere optische Phasenmodulatoren 116/118 (die
im IOC 107 nahe den Pfaden 114/112 als
Elektroden implementiert sein können)
vorhanden sein, um in Reaktion auf Modulationssignale, die durch
den Elektronikprozessor 130 erzeugt wurden, Phasenverschiebungen
in Licht zu erzeugen, das die Pfade 114 bzw. 112 passiert. Bei
verschiedenen alternativen Ausführungsformen, und
wie weiter unten noch näher
beschrieben, kann der IOC 107 durch andere, aber äquivalente
Komponenten wie zum Beispiel Koppler, Splitter, Modulatoren (wie
zum Beispiel piezoelektrische Modulatoren), Polarisationsfilter
und dergleichen ersetzt werden.
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen
kann eine optische Verzögerungsschleife 122 enthalten sein,
die weiter unten noch näher
besprochen wird, insbesondere in Verbindung mit 9.
Die Verzögerungsschleife 122 kann
eine physische Schleife oder Spule aus optischen Fasern sein, die
den optischen Pfad verlängert,
den das Licht im Sensor 100 durchquert.
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Die
Schnittstelle 124 ist eine beliebige Schnittstelle zu einem
Bauelement 150, das erfasst wird. Zum Beispiel könnte die
Schnittstelle 124 eine Schnittstelle zu einer Linsenanordnung
sein, um ein LIDAR zu bilden, oder die Schnittstelle 124 könnte eine
Schnittstelle zu einer externen optischen Faser sein, die dafür verwendet
werden kann, Brüche
in der optischen Faser zu detektieren. Es versteht sich, dass die
Schnittstelle 124 in verschiedenen Ausführungsformen eine bloße Faserspleißung sein
kann oder dass die Schnittstelle 124 bei Ausführungsformen
weggelassen werden kann, wo der Sensor 100 als ein integraler
Bestandteil einer optischen Faser oder dergleichen ausgebildet ist.
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Der
Photodetektor 108 ist ein beliebiger Schaltkreis, der in
der Lage ist, die Intensität
(d. h. die Amplitude) von Licht zu detektieren, das von der Faser 138 ausgesendet
wird. In verschiedenen Ausführungsformen
enthält
der Photodetektorkreis 108 zweckmäßigerweise eine Photodiode
oder Lawinenphotodiode 106, die in Reaktion auf die Intensität von einfallendem
Licht einen elektrischen Strom leitet. Der Photodetektorkreis 108 kann
auch Schaltungen oder sonstige Komponenten enthalten, um ein digitales
oder analoges Signal zu erzeugen, das nach Bedarf in die Elektronik 130 eingespeist
wird. Es sind zahlreiche herkömmliche
Photodetektorkreise 108 zur Verwendung mit faseroptischen
Gyroskopen oder sonstigen Sensoren entwickelt worden, die für den Sensor 100 Anwendung
finden können.
In verschiedenen Ausführungsformen
ist der Photodetektor 108 eine Photodiode Modell PN 03000040-999
von der Epitaxx Corporation aus West Nepian, Ontario, Kanada. Das
Ansprechen des Photodetektors 108 kann von der Wellenlänge von
einfallendem Licht abhängen,
so dass der Photodetektor 108 entsprechend einer Wellenlänge von
Licht ausgewählt
werden kann, das sich durch den Sensor 100 hindurch ausbreitet.
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Der
Elektronikprozessor 126 enthält zweckmäßigerweise eine beliebige Verarbeitungsschaltung,
die zum Berechnen eines Sensorausgangssignals 130 und eines
Rückkopplungssignals 128 geeignet
ist, wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, eine Mikrosteuerung,
einen digitalen Signalprozessor, eine programmierte Array-Logik (PAL), einen
anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), ein programmierbares
Gate-Array (PGA) oder ein sonstiges Bauelement. Bei einer beispielhaften
Ausführungsform
enthält
der Elektronikprozessor 126 zweckmäßigerweise einen Mikroprozessor
oder einen digitalen Signalprozessor, der in der Regel mit einem
zugehörigen
Speicher und mit Schaltungen zum Adressieren, Eingang/Ausgang und
dergleichen verbunden ist. Es sind verschiedene Ausführungsformen
der Elektronik 126 in Verbindung mit verschiedenen faseroptischen
Gyroskopvorrichtungen offenbart worden, und es könnte jede beliebige faseroptische Gyroskopelektronikschaltung
problemlos zur Verwendung im Sensor 100 angepasst werden.
In verschiedenen Ausführungsformen
integriert, filtert und verarbeitet die Elektronik 126 zweckmäßigerweise das
Ausgangssignal des Photodetektors 108 zu einem Ausgangssignal 130.
Obgleich 1 den Sensor 100 so
darstellt, dass er als ein rückkopplungsgesteuerter
oder "Geschlosenkreis"-Sensor arbeitet, verwenden
alternative Ausführungsformen
eine "Offenkreis"-Konfiguration (d. h. ohne Rückkopplung), die
das Modulationssignal (Rückkopplungssignal) 128 ungeachtet
des Ausgangssignals des Photodetektors 108 erzeugt. Obgleich
der Geschlossenkreisbetrieb die Stabilität und Auflösung des Sensors 100 erhöhen kann,
kann der Geschlossenkreisbetrieb jedoch in vielen Ausführungsformen
komplexer sein als der Offenkreisbetrieb.
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Wir
bleiben bei 1. Der Sensor 100 funktioniert
zweckmäßigerweise
in der Weise, dass er Licht, das von der Lichtquelle 102 erzeugt
wurde, durch den Koppler 104 zum IOC 107 leitet.
Das Licht wird zweckmäßigerweise
durch den Y-Knoten 110 in einen Strahl, der den Wellenleiter
(den ersten Lichtpfad) 112 passiert, und einen Strahl,
der den Wellenleiter (den zweiten Lichtpfad) 114 passiert,
geteilt. Wenigstens einer der Strahlen wird durch den Phasenmodulator 116 in
Reaktion auf ein Modulationssignal 128 moduliert, wie weiter
unten noch näher
beschrieben wird, um eine Verschiebung der Phase des Lichtstrahls
zu erzeugen. Die beiden Strahlen werden im Koppler 120 wiedervereinigt,
wo Licht durch die optionale Verzögerungsschleife 122 zur
Schnittstelle 124 und auf das erfasste Bauelement 150 geleitet
wird. Licht, das von dem erfassten Bauelement reflektiert wurde,
tritt an der Schnittstelle 124 erneut in den Sensor 100 ein,
wo das Licht durch die optionale Verzögerungsschleife 122 passiert,
bevor es im Koppler 120 geteilt wird. Das reflektierte
Licht wird in eine Komponente, die durch die Faser 132 und
den Wellenleiter 112 wandert, und eine Komponente, die durch
die Faser 134 und den Wellenleiter 114 wandert,
aufgeteilt, wo durch den Modulator 116 eine Modulation
erfolgen kann. Die beiden Komponenten werden zweckmäßigerweise
am Y-Knoten 110 wiedervereint und durch den Koppler 104 zum
Detektor 108 geleitet.
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Wie
oben angemerkt, wird Licht, das durch die Lichtquelle 102 erzeugt
wurde, in wenigstens vier Komponenten aufgeteilt, und zwar entsprechend:
(1) erster Lichtpfad 112 aus, erster Lichtpfad 112 zurück; (2)
erster Lichtpfad 112 aus, zweiter Lichtpfad 114 zurück; (3)
zweiter Lichtpfad 114 aus, erster Lichtpfad 112 zurück; und
(4) zweiter Lichtpfad 114 aus, zweiter Lichtpfad 114 zurück. Die
beiden Komponenten von Licht, das sich entlang des Pfades (2) bewegt, und
von Licht, das sich entlang des Pfades (3) bewegt, legen identische
Entfernungen zurück.
Des Weiteren empfängt
Licht, das sich entlang dieser Pfade bewegt, identische Ansteuerungsmodulationen vom
Modulator 116, mit der Ausnahme, dass die Modulation um
einen Betrag zeitverschoben ist, der zu der Zeitverzögerung in
Beziehung steht, die der Strahl benötigt, um das erfasste Bauelement
zu durchqueren. Deshalb ist der Unterschied bei den Modulationen,
denen die beiden Strahlen unterzogen werden, auf diese Zeitverzögerung zurückzuführen, die
zu der Länge
des erfassten Bauelements in Beziehung steht. Diese Modulationsdifferenz
manifestiert sich als eine zeitveränderliche Wellenform auf dem
Photodetektor 108. Durch geeignete Verarbeitung der zeitveränderlichen
Wellenform auf dem Photodetektor 108 kann die Länge des
Pfades berechnet werden, den die Strahlen zurückgelegt haben. Beim Verarbeiten
der zeitveränderlichen
Wellenform auf dem Photodetektor 108 kann ein Rückkopplungsmechanismus
verwendet werden, um die angewendete Ansteuerungsmodulation zu justieren,
um diese Verzögerung
zu berücksichtigen.
Die auf diese Weise gemessene Pfadlänge kann dafür benutzt
werden, die Länge
einer optischen Faser oder die Stelle eines Bruches in einer optischen
Faser zu bestimmen. Alternativ kann die Pfadlänge auch in jedem sonstigen Sensortyp
verwendet werden, wie beispielsweise einem LIDAR, einen Messwandlersensor
oder dergleichen.
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Die
oben und im Weiteren beschriebenen grundlegenden Konzepte könnten auf
eine beliebige Anzahl äquivalenter
Bauelemente angewendet werden, die ein Sensorausgangssignal 130 auf
der Grundlage einer erfassten Interferenz zweier Lichtsignale erzeugen. 2A, 2B und 2C sind schematische
Darstellungen beispielhafter alternativer Ausführungsformen von Sensoren.
Wenden wir uns 2A zu. Verschiedene Ausführungsformen des
Sensors 100 können
den Koppler 120 weglassen und den in 1 gezeigten
IOC 107 durch einen in 2 gezeigten
modifizierten IOC 107 ersetzen. Wenden wir uns 2B zu.
Hier ist der IOC 107 komplett weggelassen und durch einen
Koppler 202 und einen Phasenmodulator 204 ersetzt.
Bei dem Phasenmodulator 204 kann es sich um einen piezoelektrischen
Modulator oder eine sonstige Art von phasenveränderndem Bauelement handeln.
Der Koppler 202 ist ein beliebiger herkömmlicher Koppler, wie er zum
Beispiel oben im Zusammenhang mit den Kopplern 104 und 120 beschrieben
ist. Des weiteren ist es nicht erforderlich, die Phase von Licht
zu modulieren, das sich den Pfad 112 entlang bewegt, um
ein entsprechendes Ausgangssignal 130 zu erzeugen. Wenden
wir uns 2C zu. Hier ist der IOC 107 durch
ein Polarisationsfilter 230, einen Doppelbrechungsmodulator 232 und
einen Depolarisator 234 ersetzt. Bei solchen Ausführungsformen
wird die Polarisation von Licht, das den Modulator 232 durchquert,
durch das Signal 128 mittels der im vorliegenden Text beschriebenen
Techniken moduliert, um einen transversalen magnetischen (TM) Modus
und einen transversalen elektrischen (TE) Modus mit unterschiedlichen
(d. h. orthogonalen) Polarisationen zu erzeugen. Eine Interferenz
zwischen den TM- und TE-Signalen kann dann, wie oben beschrieben,
in der Photodiode 106 detektiert werden. Das Polarisationsfilter 230 ist
in 2C nominal als ein 45-Grad-Polarisationsfilter
gezeigt, obgleich auch jeder andere Polarisationswinkel außer null
und neunzig Grad verwendet werden könnte. Der Sensor 100 kann
auch einen Abschnitt 236 aus polarisationsbeibehaltenden
Fasern enthalten, um die beiden Moden vom Modulator 232 zum
Depolarisator 234 zu übertragen.
Somit kann ein Interferenzmuster im Detektor 106 erzeugt
werden, obgleich der Sensor 100 nur einen einzigen physischen
Pfad 112/114 enthält. Die Begriffe "Splitter" oder "Splittermittel" meinen im Sinne
des vorliegenden Textes somit nicht nur einen Fasersplitter, sondern
auch jede sonstige Struktur, die zwei oder mehr optische Pfade erzeugt.
Weitere Ausführungsformen
des Sensors 100 modulieren zweckmäßigerweise die Signalamplitude,
die Frequenz oder sonstige kennzeichnende Merkmale von Licht, das
den Sensor passiert, um eigenständige,
aber interferierende Lichtpfade oder -moden zu erzeugen. Wie oben
angemerkt, kann jede der Komponenten, die als Teil des Sensors 100 beschrieben
werden, durch äquivalente
massive optische Komponenten, wie beispielsweise Modulatoren, Koppler
und dergleichen, ersetzt werden.
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Wenden
wir uns nun 3 zu, wo eine beispielhafte
Ausgangskennlinie 300 für
einen Sensor gezeigt ist, der mit einer "geeigneten" Frequenz arbeitet. In 3 trägt ein Interferogramm 302 in zweckmäßiger Weise
die Intensität
von Licht, das auf den Photodetektor 106 auftrifft, gegen
die Phasenverschiebung Δϕ auf,
die zwischen den beiden Lichtstrahlen, die sich im Sensor 100 ausbreiten,
beobachtet wird. Wie zu erkennen ist, wird die Intensität des Lichts
zweckmäßigerweise
maximiert, wenn die Lichtstrahlen phasengleich sind (was einer Phasenverschiebung
von null oder einem ganzzahligen Mehrfachen einer Phasenverschiebung
von ±2π entspricht).
Gleichermaßen
wird die Intensität
des Lichts zweckmäßigerweise
minimiert, wenn die Lichtstrahlen nicht phasengleich sind (was einer
Phasenverschiebung von π oder
einem ungeraden ganzzahligen Mehrfachen einer Phasenverschiebung
von ±π entspricht).
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Wenn
der Sensor im Interferogramm 302 jedoch nahe einem Maximum-
oder Minimumpunkt arbeitet, so erzeugen Phasenänderungen (Δϕ) nur geringe Änderungen
der Lichtintensität
(I). Darüber
hinaus kann es schwierig sein, an solchen Betriebspunkten die Größenordnung
von Phasenänderungen anhand
der Lichtintensität
zu erkennen, weil die Kurve von den Maximumpunkten ausgehend in
beiden Richtungen abnimmt und von den Minimumpunkten ausgehend in
beiden Richtungen zunimmt. Verschiedene Ausführungsformen können daher
den Gyro zu einem sensibleren Betriebspunkt, wie zum Beispiel Punkt 310 oder
Punkt 312 im Interferogramm 302, hin verzerren,
die Phasenverschiebungen von π/2 bzw. π/2 entsprechen.
Freilich würde
jedes beliebige ungerade ganzzahlige Vielfache von ±π/2 zu einem ähnlichen
Ergebnis führen.
Diese Modulation kann mit einer "Ansteuerungs"-Modulation 304 erfolgen, die
dem Modulationssignal 128 in den 1 und 2 entspricht, wie weiter unten im Zusammenhang
mit 4 noch näher
beschrieben wird. Wie in 3 gezeigt, ist die Verzerrungsmodulation 304 ein
alternierendes Verzerrungssignal, das Phasenverzerrungen von ±π/2 Radianen
zwischen den beiden Strahlen, die sich in dem Sensor 100 ausbreiten,
erzeugt. Es versteht sich, dass jede beliebige Modulation 304 entsprechend
den konkreten Merkmalen und Erfordernissen der konkreten Ausführungsform
erzeugt werden könnte.
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Wenn
die beiden Strahlen entsprechend der Modulation 304 verzerrt
werden, kann nun die Ausgangsintensität von Licht, das im Lauf der
Zeit auf den Detektor 108 auftrifft ("Zeitwellenform"), wie in dem Diagramm 306 in 3 gezeigt
sein. Wie dem Diagramm 306 zu entnehmen ist, ist die Ausgangsintensität des Lichts
(I) auf dem Pegel 316, der den Punkten 310 und 312 im
Interferogramm 302 entspricht, relativ konstant und weist
Momentan-"Spitzen" 314 auf,
die aus dem Übergang
der Betriebspunkte von Punkt 310 zum Punkt 312 und
umgekehrt resultieren. Der Pegel 316 kann auch eine Komponente
von den beiden Pfaden – Pfad 112 und
Pfad 114 – enthalten,
die nicht interferieren. Die Spitzen 314 können durch
die Elektronik 126 (1) dergestalt
gefiltert, ignoriert oder auf sonstige Weise verarbeitet werden,
dass der relativ konstante Ausgangspegel 316 zu beobachten
ist.
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4 ist
ein Diagramm einer beispielhaften Modulationstechnik, die mit einer
geeigneten Frequenz angewendet wird, die zum Erzeugen der Modulation 304 verwendet
werden kann. Wenden wir uns kurzzeitig den 1 und 4 zu.
Ein Verzerrungsmodulationssignal 128 wird durch den Elektronikprozessor 126 erzeugt
und in den Modulator 116 eingespeist, um Licht zu modulieren,
das sich durch den Wellenleiter 114 bewegt. Wie oben beschrieben, durchquert
jeder Lichtstrahl, der an der Erstellung des Interferogramms 302 (3)
beteiligt ist, den Wellenleiter 114, aber zu einem anderen
Zeitpunkt (beispielsweise passiert ein erster Strahl den Wellenleiter 114 auf
dem Weg zu dem erfassten Bauelement, und der zweite Strahl passiert
den Wellenleiter 114, nachdem er durch das erfasste Bauelement
reflektiert wurde). Die auf die beiden Strahlen angewendeten Modulationen
sind dann zweckmäßigerweise
identisch, aber entsprechend einer Verzögerungskonstante (T) des Sensors,
die zu der Pfadlänge
des Lichtstrahls in Beziehung steht, zeitverschoben.
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Wenden
wir uns nun den 1 und 4 zu. Ein
beispielhaftes Modulationsansteuerungssignal 128 hat zweckmäßigerweise
eine Sägezahnwellenform
mit einer Amplitude, die dergestalt an den Modulator 116 angepasst
ist, dass die gewünschte Phasenverschiebung
entsteht, und mit einer Frequenz, die auf die "geeignete" Frequenz des Sensors 100 abgestimmt
ist. Es sind schon zahlreiche Techniken zum Erfassen der "geeigneten" Frequenz in Verbindung
mit FOGs und anderen Sensoren verwendet worden (siehe zum Beispiel
US-Patent Nr. 5,734,469, das durch Bezugnahme in den vorliegenden
Text aufgenommen wird, und eine gleichzeitig mit dem vorliegenden
Text eingereichte Patentanmeldung mit dem Titel "A Saw Tooth Bias Modulation and Loop
Closure for an IFOG and Sagnac Interferometer" vom Erfinder Charles Lange, gekennzeichnet mit
der Honeywell-Registernummer H17-25172,
die ebenfalls durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen
wird), und jede beliebige Technik zum Erfassen der "geeigneten" Frequenz könnte mit den
offenbarten Sensoren verwendet werden. Gleichermaßen kann
das Modulationssignal 128 nach Bedarf eine beliebige benötigte digitale
oder analoge serrodyne, dreieckige, ansteigende, doppelt ansteigende,
Impuls-, Treppen- oder sonstige Wellenform haben oder kann Merkmale
mehrerer Wellenformen enthalten. Wie 4 sofort
zu entnehmen ist, sind die Modulationen, die auf die sich gegenläufig im Sensor 100 ausbreitenden
beiden Strahlen angewendet werden, identisch, aber um eine Verzögerungskonstante
T zeitverschoben. Der Unterschied zwischen diesen beiden Signalen
ist als Signal Δϕ 304 gezeigt,
das dem Signal 304 in 3 entspricht. Auch
hier kann in verschiedenen Ausführungsformen des
Sensors 100 jedes beliebige Ansteuerungsmodulationssignal 128 verwendet
werden, das eine gewünschte
Phasenmodulation 304 erbringt.
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5 ist
ein Diagramm einer beispielhaften Modulationstechnik, die nicht
mit einer geeigneten Frequenz angewendet wird. Wenden wir uns nun
den 1 und 5 zu. Ein Ansteuerungsmodulationssignal 128 wird
an den Modulator 116 angelegt, wie oben beschrieben, aber
die Frequenz des Signals 128 wird nicht auf eine geeignete
Frequenz abgestimmt, die zu der Verzögerungskonstante T in Beziehung
steht. Somit erzeugt die Phasendifferenz (Δϕ) 304 zwischen
Strahl 1 und Strahl 2 kein ausgeglichenes Phasenmodulationssignal
wie das oben beschriebene. Vielmehr kann die Differenz 304 zwischen
den beiden Strahlen durch relativ lange Verzerrungsperioden auf
einem Pegel 502 charakterisiert werden, zwischen denen sich
relativ kurze Verzerrungszeiträume 504 (die
der Zeit T entsprechen) in einer entgegengesetzten Richtung und
mit einer viel größeren Größenordnung
als Pegel 502 befinden.
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Eine
beispielhafte Ausgangskennlinie 600, die der in 5 gezeigten
Modulation Δϕ 304 entspricht,
ist in 6 gezeigt. Wenden wir uns 6 zu. Eine
auf das Interferogramm 302 angewandte Ansteuerungsmodulation 304 erzeugt
zweckmäßigerweise
in einem Photodetektor 108 eine Ausgangskennlinie (Zeitwellenform) 606.
Wie aus der Figur zu ersehen ist, entsprechen die Punkte 504 auf der
Modulation 304 dem Punkt 604 im Interferogramm 302 und
dem Ausgangssignaldiagramm 606. Die Punkte 502 auf
der Modulation 304 entsprechen den Punkten 602 im
Interferogramm 302 und dem Ausgangssignaldiagramm 606.
Somit alterniert die im Photodetektor 108 beobachtete Lichtintensität zwischen
den Pegeln 602 und 604.
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Wenn
man das Diagramm 606 und das Diagramm 306 in 3 miteinander
vergleicht und einander gegenüberstellt,
so hängt
die Zeitwellenform der Lichtintensität, die auf den Photodetektor 108 auftrifft,
von der Frequenz des Modulationssignals ab, und die "geeignete" Frequenz des Modulationssignals
(d. h. die Frequenz, die ein relativ konstantes Ausgangssignal im
Photodetektor 108 erzeugt), hängt von der Zeit ab, die das
Licht für
einen Durchgang zu dem, durch den und von dem Sensor 100 braucht.
Daraus folgt, dass die geeignete Modulationsfrequenz zu der Länge des
Lichtpfades in Beziehung steht. Folglich kann das Ausgangssignal 130 anhand
der Modulation bestimmt werden, die zu einem relativ konstanten
Ausgangssignal im Detektor 108 oder zu einer sonstigen
zweckmäßigen gewünschten
Auswirkung auf das Detektorausgangssignal führt. Oder anders ausgedrückt: Die
Länge des optischen
Pfades kann problemlos als eine Funktion der "geeigneten" Modulationsfrequenz bestimmt werden,
die ein relativ konstantes Ausgangssignal im Detektor 108 erzeugt.
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Justierungen
am Modulationssignal 128 können durch eine Mikrosteuerung,
einen Mikroprozessor, einen digitalen Signalprozessor oder eine
sonstige Steuerung, die zur Elektronik 130 gehört, vorgenommen
werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird das Detektorausgangssignal
mit einer Frequenz abgetastet, die mindestens so hoch ist wie die
Frequenz des Modulationssignals 128, so dass Änderungen
des Detektorausgangssignals erkannt werden können. In dem Maße, wie
sich die Frequenz des Modulationssignals 128 der "geeigneten" Frequenz für die Länge des
optischen Pfades annähert,
werden Änderungen
des Detektorausgangssignals zweckmäßigerweise verringert. Wenn
ein beispielhafter Sensor 100 mit einer "geeigneten" Frequenz moduliert
wird, so sieht die Ausgangskennlinie wie in 3 aus. Wenn
der Sensor mit einer Frequenz moduliert wird, die für die konkrete
Pfadlänge nicht "geeignet" ist, so kann die
Ausgangskennlinie, die im Detektor 108 beobachtet wird,
schräg
sein, wie zum Beispiel in 6 gezeigt.
Indem man versucht, das Detektorausgangssignal auf einem gewünschten Pegel
zu halten, kann dementsprechend die Länge des optischen Pfades, den
das Licht im Sensor 100 zurücklegt, problemlos anhand dieser
geeigneten Frequenz unter Verwendung einer Nachschlagetabelle, einer
mathematischen Formel oder einer sonstigen Technik berechnet werden.
Dieses Konzept kann dafür
verwendet werden, verschiedene Sensorvorrichtungen wie beispielsweise
LIDARs, Bruchtester, Faserlängentester,
Entfernungsfinder, Zugspannungssensoren oder dergleichen zu schaffen.
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7 ist
ein Blockschaubild eines Zugspannungssensors, der auf den oben beschriebenen
Konzepten basiert. Wenden wir uns 7 zu. Ein
Zugspannungssensor 700 enthält zweckmäßigerweise ein aktives Sensorelement 702,
das, wie oben beschrieben, mit einem Sensor 100 verbunden
ist. Das aktive Sensorelement 702 kann aus jedem Material bestehen,
das in der Lage ist, den optischen Pfad von Licht, das sich durch
das Material hindurch bewegt, in Reaktion auf Umgebungsbedingungen
wie zum Beispiel Temperatur, Druck, Brüche oder mechanische Beanspruchungen,
Eigenschaften chemischer Spezies oder dergleichen zu ändern. Bei
einer beispielhaften Ausführungsform
ist das aktive Sensorelement 702 eine optische Einmoden-Faser mit einem gespalteten
und polierten Ende 704, das sich zum Reflektieren optischer
Signale eignet. In dem Maße, wie
die Faser sich ausdehnt, zusammenzieht oder auf sonstige Weise auf Änderungen
der Umgebung reagiert, ändert
sich die Gesamtlänge
des optischen Pfades von Licht, das sich durch die Faser hindurchbewegt,
in zweckmäßiger Weise.
Diese verschiedenen Zugbeanspruchungen auf das Sensorelement 702 können, wie
klein sie auch sein mögen,
können mittels
der oben beschriebenen interferometrischen Modulationstechniken
erfasst werden. Der konkret ausgewählte Fasertyp unterscheidet
sich von Ausführungsform
zu Ausführungsform,
weil bestimmte Arten von Faserummantelung, Kernen usw. stärker auf Änderungen
der Temperatur, des Drucks, chemischer Spezies oder dergleichen
ansprechen als andere.
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Obgleich
die in 7 gezeigte beispielhafte Ausführungsform 700 eine
Verzögerungsschleife 122 und
eine Schnittstelle 124 enthält, können bei anderen Ausführungsformen
diese Elemente entfallen, und das Sensorelement 702 kann
auf jede beliebige Weise mit dem Sensor 100 verbunden sein.
Außerdem
kann die Länge
des Sensorelements 702 je nach der Art des geschaffenen
Sensors 700 und der gewünschten
Empfindlichkeit in einem weiten Bereich von Ausführungsform zu Ausführungsform
variieren. Des Weiteren erzeugt die vergrößerte Oberfläche des
Sensorelements 702, auf die äußere Einflüsse einwirken können, im
Allgemeinen eine höhere Empfindlichkeit.
Spulen aus optischer Faser (wie zum Beispiel aus relativ preiswerter
optischer Einmodenfaser) lassen sich problemlos in einer Länge in der
Größenordnung
von 1000 m oder mehr herstellen, wodurch ein überaus empfindlicher Sensor 700 möglich wird.
Alternativ kann das Sensorelement eine Länge in der Größenordnung
von einem Meter oder weniger haben.
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Zugbelastungssensoren 700 lassen
sich in einer breiten Vielfalt von Umgebungen einsetzen. In den
verschiedenen Ausführungsformen
erzeugen Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel Temperatur, Druck,
chemische Auswirkungen und dergleichen zweckmäßigerweise eine Zugbeanspruchung
in dem Sensorelement 702, die sich auf die Länge eines Lichtpfades
durch das Element hindurch auswirkt. Zum Beispiel könnten Sensorelemente 702 in
Holz, Metall, Beton oder sonstigen Strukturen angeordnet werden,
um mechanische Beanspruchungen und Zugbelastungen in Brücken, Dämmen, Straßen und dergleichen
zu detektieren. Gleichermaßen
könnten Sensorelemente 702 in
einen Flugzeugflügel
eingebettet oder daran befestigt werden, um mechanische Beanspruchungen, Überlastungen
und dergleichen zu detektieren.
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Sensoren 700 könnten außerdem für die Messung
chemischer Zusammensetzungen hergerichtet werden, indem man zum
Beispiel die Ummantelung an einer optischen Faser entfernt und die
optische Faser als ein Sensorelement 702 mit einer chemischen
Spezies in Kontakt bringt. Änderungen
des optischen Pfades des Sensorelements 702 werden zweckmäßigerweise
entsprechend dem Brechungsindex der Spezies hervorgerufen. Weitere
Ausführungsformen
beinhalten ein Sensorelement 702 in thermischem Kontakt
mit einem Fluid, dergestalt, dass Schwankungen der Fluidtemperatur
erfasst werden können.
Es versteht sich, dass eine breite Vielfalt von Anwendungen denkbar
sind, die das Inkontaktbringen des Sensorelements 702 mit
einer Umgebung und das Messen der Auswirkungen auf die Länge des
optischen Pfades von Lichtsignalen, die das Sensorelement 702 passieren,
umfassen. Die Auswirkungen dieser äußeren Einflüsse können daher mit der Änderung
der Pfadlänge
korreliert werden und können
mittels einer beliebigen Technik berechnet werden. Die Korrelation
zwischen Pfadlänge und äußeren Einflüssen kann
entsprechend jeder beliebigen Technik festgestellt, korreliert und/oder
berechnet werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform werden Umgebungsvariablen
mit Änderungen
der Pfadlänge
in einer Nachschlagetabelle korreliert, die in dem Elektronikprozessor 126 oder
in einem externen digitalen Computer, der mit dem Elektronikprozessor 126 kommuniziert,
gespeichert ist.
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8 ist
ein Blockschaubild einer beispielhaften Ausführungsform eines LIDAR 800,
der auf interferometrischen Sensortechniken basiert. Wenden wir
uns 8 zu. Ein optischer Sensor 100, wie oben besprochen,
kann mit einer Linsenanordnung 802 verbunden sein, um einen
Lichtstrahl 806 zu erzeugen, der von einem Objekt 804 zurückgeworfen
werden kann. Unter Verwendung der oben beschriebenen interferometrischen
Modulationstechniken lässt sich
die Entfernung zum Objekt 804 problemlos bestimmen. Die
durch den Sensor 100 detektierte Länge des optischen Pfades ist
nicht auf einen Wellenleiter oder einen sonstigen Pfad beschränkt.
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9 ist
ein Blockschaubild eines beispielhaften Faserbruchdetektors, der
auf interferometrischen Sensortechniken basiert. Wenden wir uns 9 zu.
Ein Faserbruchsensor 900 enthält zweckmäßigerweise ein Sensorelement 702,
das eine Anzahl reflektierender Elemente 902 enthält. In einer beispielhaften
Ausführungsform
ist das Sensorelement eine optische Faser, die in Kommunikations- oder
sonstigen Anwendungen verwendet wird. Reflektierende Elemente sind
jegliche Verbindungsstellen, Gitter, Obstruktionen oder sonstigen
Elemente, die in dem Sensorelement 702 vorhanden sind und
in der Lage sind, Licht, das durch die Lichtquelle 102 erzeugt
wird, zu reflektieren. Ein Lichtquellensteuersignal 904 kann
von der Elektronik 126 in die Lichtquelle 102 eingespeist
werden, um die Frequenz, die Phase, die Amplitude oder sonstige
kennzeichnenden Merkmale von Licht, das von der Lichtquelle 102 ausgesandt
wird, dergestalt zu modulieren, zu modifizieren oder anderweitig
zu verstellen, dass mehrere Lichtsignale von den verschiedenen reflektierenden Elementen 902 reflektiert
werden können.
Durch Verifizieren der Kontinuität
zwischen der Lichtquelle 102 und jedem der reflektierenden
Elemente 902 können Brüche in dem
Sensorelement 702 identifiziert und lokalisiert werden.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
sind die reflektierenden Elemente 902 einfach Faserspleiße, die
so hergestellt wurden, dass ein Teil des Lichts, das durch die Faser
passiert, durch den Spleiß reflektiert
wird. Ein solcher Spleiß kann
zum Beispiel hergestellt werden, indem man optische Fasern in einem
herkömmlichen
Faserspleiß absichtlich um
einen sehr kleinen Abstand fehlausrichtet oder Fasern unterschiedlicher
Größen zusammenspleißt. Alternativ
können
die reflektierenden Elemente 902 Braggsche Faserbeugungsgitter,
die auf verschiedene Wellenlängen
abgestimmt sind, zeitproportional frequenzmodulierte Gitter oder
dergleichen sein, wie weiter unten noch näher beschrieben wird.
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Es
könnte
eine Anzahl von Modulationstechniken verwendet werden, um Licht
zu überwachen, das
von den verschiedenen reflektierenden Elementen 902 in
dem Sensorelement 702 reflektiert wird. Zum Beispiel könnte Zeitbereichsmultiplexierung
(Time Domain Multiplexing – TDM)
verwendet werden, indem man einfach eine Eigenfrequenz für eine Pfadlänge moduliert,
die einem ersten reflektierenden Element 902 entspricht,
das Vorhandensein oder Fehlen eines Lichtsignals im Detektor 108 verifiziert und
anschließend
Eigenfrequenzen nachfolgender reflektierender Elemente 902 moduliert.
Alternativ könnten
verschiedene Lichtsignale unter Verwendung von Wellenlängenmultiplex-Techniken
(Wavelength Division Multiplexing – WDM) in das Sensorelement 702 eingespeist
werden.
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In
einem Beispiel solcher Ausführungsformen
sind die reflektierenden Elemente 902 Braggsche Faserbeugungsgitter,
die jeweils auf eine eigene Lichtwellenlänge abgestimmt sind. Licht
verschiedener Wellenlängen
kann dann in das Sensorelement 702 eingespeist werden,
und die reflektierten Signale können überwacht
und korreliert werden. Weil jedes Gitter auf Licht einer bestimmten
Wellenlänge
anspricht, kann die Kontinuität
zu jedem Gitter dann verifiziert werden, und jegliche Brüche in der Faser
können
lokalisiert werden. Alternativ könnten zeitproportional
frequenzmodulierte Gitter in Verbindung mit Wellenlängenmultiplex-Techniken
verwendet werden, um die Änderung
der Länge
des optischen Pfades innerhalb des Sensorelements 702 zu erhöhen. Bei
einer weiteren Ausführungsform
kann Frequenzmultiplexierung (Frequency Division Multiplexing – FDM) verwendet
werden, indem die Frequenz von eingespeistem Licht unter Verwendung der
bekannten Eigenfrequenzen von Licht moduliert wird, das von den
verschiedenen reflektierenden Elementen 902 zurückgeworfen
wird. Diese Multiplexierungstechniken gestatten das Abfragen mehrerer Sensorelemente,
wodurch äußere Einflüsse wie
beispielsweise Temperatur, Zugbeanspruchung, chemische Eigenschaften
usw. detektiert und gemessen werden.
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Die
Eigenfrequenz, die auf Lichtsignale innerhalb des Sensors 900 angewendet
wird, ist im Allgemeinen umgekehrt proportional zur Länge des
optischen Pfades. Aufgrund dieser Beziehung kann es bei verschiedenen
Ausführungsformen
(insbesondere jenen, die mit FDM-Techniken arbeiten) im Allgemeinen
unerwünscht
sein, reflektierende Elemente 902 in geradzahligen Vielfachen
einer bestimmten Entfernung (zum Beispiel 1000 m, 2000 m, 4000 m usw.
vom Ende der Faser) zu beabstanden, weil die entsprechenden Eigenfrequenzen
solcher Ausführungsformen
Oberschwingungen erzeugen können, die
sich gegenseitig stören
oder die nur schwer zu erkennen sind. Dieses Phänomen kann jedoch bei verschiedenen
Ausführungsformen
mittels der Verzögerungsschleife 122 verringert
oder beseitigt werden. Durch Hinzufügen selbst einer nur kurzen
Verzögerung
in den optischen Pfad, den das Licht in dem Sensor 900 zurücklegt,
wird der Gesamtlichtpfad, den der Sensor 100 feststellt,
so modifiziert, dass Oberschwingungen verringert oder beseitigt
werden. Wenn reflektierende Elemente 902 zum Beispiel in 1000,
2000 und 4000 Metern in dem Sensorelement 702 angeordnet
werden und die Verzögerungsschleife 122 einen
Meter lang ist, so sind die optischen Pfade zu den verschiedenen
reflektierenden Elementen insgesamt 1001, 2001 und 4001 Meter lang.
Dementsprechend werden Oberschwingungen und alle zugehörigen Fehlerquellen
nach Bedarf verringert. Die hier genannten Zahlen sind nur Beispiele,
und in praktischen Ausführungsformen
kann jeder beliebige Wert für
Faserlängen,
Verzögerungsschleifenlängen, Reflektorposition
und dergleichen verwendet werden.
-
Auf
der Grundlage der oben beschriebenen verschiedenen Strukturen und
interferometrischen Modulationstechniken kann jede beliebige Anzahl von
Sensoren hergestellt werden. Zugbelastungssensoren, Bruchtester,
LIDARs und dergleichen können
durch Erfassen der Länge
eines optischen Pfades durch ein Sensorelement 702 gebaut
werden. Die Länge
des optischen Pfades kann mit großer Genauigkeit bestimmt werden,
indem man die "geeignete" Frequenz einer auf
das Licht angewendeten Modulation bestimmt, die zweckmäßigerweise
den Betrag von Schwankungen, die ein Detektor 108 feststellt,
verringert oder minimiert. Solche interferometrischen Techniken
sind überaus
präzise,
da der gesteuerte und beobachtete Faktor die Frequenz einer angewandeten
Modulation ist.
-
Es
ist beabsichtigt, dass die entsprechenden Strukturen, Materialien,
Aktivitäten
und Äquivalente aller
Elemente in den folgenden Ansprüchen
jegliche Strukturen, Materialien oder Aktivitäten zum Ausführen der
Funktionen in Kombination mit sonstigen beanspruchten Elementen,
die ausdrücklich
beansprucht sind, umfassen. Des Weiteren können die Schritte, die in Verfahrensansprüchen genannt
sind, in jeder beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden. Der Geltungsbereich
der Erfindung ist den angehängten
Ansprüchen
und ihren rechtlichen Äquivalenten
und nicht den oben genannten Beispielen zu entnehmen. Ein im vorliegenden
Text beschriebenes Element ist für
die Praktizierung der Erfindung nur dann wesentlich, wenn es ausdrücklich als "notwendig" oder "erforderlich" beschrieben ist.