JP5285669B2 - 干渉測定法における時間変化する位相の補償法 - Google Patents
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Description
2004年12月14日出願の米国特許仮出願第60/635,440号および2005年3月10日出願の米国特許仮出願第60/659、866号について優先権を主張する。これら仮出願の内容は参照することによって本願明細書に合体されているものとする。
本願は本発明の譲渡人に譲渡された2005年2月23日に出願された米国特許出願第11/062、740号と関連するものであり、その内容は参照することにより本願明細書に合体されているものとする。
背景説明で説明したように、高速のレーザ同調速度における干渉パターンデータ、および/または長距離DUTに対して干渉パターンデータを処理するための処理方法とメモリへの要求条件は大変重要なものである。このような要求条件を軽減するために処理のためのデータセットは少なくした。DUTの興味の対象部分が特定され、対応するデータが全ての干渉パターンデータから抽出される。そこでははるかに小さな抽出データが処理される。
レーザ位相信号はDUT素片のデータをベースバンド、即ち低周波数域に周波数変換するために必要な局部発振器(LO)信号である。遅延固有の信号の形成はベースバンドへ戻されることになるDUT信号の位置(例えば2.752km)を決定する。掛け算プロセスはこのDUT素片をベースバンド、或いは低周波数域にもってくるための混合過程である。低域通過フィルタを通すことおよび間引きは解析の対象となるDUT素片の幅または範囲(例えば20m)を決定する。そして上記した近距離および遠距離位相計算はDUT素片のデータに基づいて行われる。
1.レーザ位相計算
アナログ・ディジタル変換器156から162でディジタル化された信号はゼロメートルからシステムの全範囲、10メートル、100メートル、1,000メートルまたはそれ以上までの光路についての情報を含む。ファイバの特定の位置(例えば2.752km)でその位置を中心とした或る特定の範囲(例えば20m)に関する信号を抽出することが出来れば有利であろう。この抽出は望みの情報を回復させるために蓄積し処理しなければならないデータの数を大いに減少させるであろう。この素片の切り出しを行うプロセスは、すなわち干渉パターンデータ抽出は希望の信号をベースバンド或いは低周波数域にもってきて、その後、低域通過フィルタでろ波することを意味する。
次のデータ処理ステップは検出された遅延なし(短経路または近距離)干渉パターン信号と遅延した(長経路、または遠距離)干渉パターン信号とに関係する遅延に固有の位相を計算することを含む。近距離および遠距離の位相はLM位相と同様の関係を用いてレーザ位相と関係付けられる。これらの関係式は以下に示される。sチャネルとpチャネルは遅延に関して同一構成されていると仮定して、s項を取り扱うだけにしてp項は同じであるとの理解をする。それぞれの経路遅延τrn,τn,τDUT,τrf,τf,τsn,およびτsfに対する経路は図21から27に強調されて示されている。
近距離および遠距離位相が計算されると、もともとの近距離および遠距離干渉データセットはこれらの位相の余弦(cos)および正弦(sin)と混合して望みの位置をベースバンドへもたらすことが出来る。測定される近距離および遠距離信号は次のように表わされる。
ベースバンドにあるDUT信号の所望の素片について間引きフィルタを用いて低域通過フィルタリングを行う。上の式では表現式の第二項はもともとの2倍の周波数を持つ。信号に低域通過フィルタリングを行うと、この項が除かれて次のようになる。
上記ステップ4にて計算される近距離および遠距離信号の位相は4象限逆正接(アークタンジェント)と近距離および遠距離信号の実数部および虚数部を用いて計算される。これら近経路と遠経路の位相はいまや上の式1と2にて記述した位相信号ψ(t)、ψ´(t)に対応するものである。
上のステップ5にて計算された2つの位相信号は、次に、DUT経路の時間変動位相を計算するために上の式3から10にて記述したように用いることが出来る。この計算には、式3に記したような遠距離位相の時間シフト、式4に記した2つの位相の引き算、および式5または10(式10がより詳しい計算である。)に記したように位相の時間変動成分へこの位相差を変換することが含まれる。
上記したソフトウェアベースの数値処理法は全ての干渉データセットが数回に亘って数学的に変換される必要がある。長いDUTに対してはデータセットあたり1千万点以上もあり、これは時間、データ処理操作、およびお金などのリソースを非常に消費するプロセスである。「強引な」アプローチとでもみなすことが出来る。以下に説明する別の、より効率の良いアプローチは、信号が適当に構成されたディジタル信号処理回路に到達するごとに、信号をディジタル的に処理する。図30はそのような構成を持つディジタル処理回路の非制限的な例を示す概略図である。この回路は、希望するならば、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ(FPGA)として実施できる。ディジタル処理法によって実施される処理ステップはソフトウェアベースの数値処理法に対して上に記述したものと同じであるが、以下に示すように処理が異なった方法でより効率的に行われる。
ディジタル信号処理は、信号がFPGA166に到達するごとに、レーザ・モニタ(LM)干渉信号を位相信号へ、データのフーリエ変換を行う必要なしに変換するために用いることが出来て有利である。このより簡単な変換はFPGA論理回路の待ち時間が非常に小さいことで達成できるものである。
上の数値処理におけると同様に、sチャネルとpチャネルは遅延においては同一構成であると仮定しているので、それ故にs項だけを取り扱い、p項は同一であるというように理解する。近距離遅延と遠距離遅延は再び次式にて記述される。
混合プロセスは数値処理の章で上記したのと同じである。ただし、この場合は、正弦(sin)と余弦(cos)の計算は図30の正弦および余弦のルックアップテーブル166−172と図30に示したハードウェア乗算器176−210を用いて行われる掛け算に置き換えられる。
低域通過フィルタリングはFIR間引きフィルタで実施される。間引きフィルタは信号帯域を低減させ、サンプリング速度も低減させる。低減された帯域はもはや高速サンプリングを必要とはせず、信号の忠実度に損失がなければ、より少ない標本で動作することは有利なことである。間引きフィルタのこの特別の実施例が記述されるが、適当ないかなるフィルタを用いて、設計しても良い。
もしバンド幅が制限要因であれば、光ネットワークは図40に示すように変更できる。この実施例では付加的な遅延線262が参照経路に追加される。この遅延線の長さは、近距離反射が負の周波数にマッピングされ、遠距離項はそのまま正の周波数にマッピングされるように選ばれる。図41は短い(実効的にはゼロの)長さの参照経路を仮定した場合の反射特性の現れる位置を示す。4nm/secの同調速度と6km参照遅延の現れる位置に対して100MHzである信号の全バンド幅もまた示されている。参照光路に6kmの遅延を置くと、全ての周波数はこの遅延から計られ、図42に示すような信号スペクトルで終わる。この図はいまや100MHzではなく66MHzのバンド幅を持つとして書かれている。
本測定技術は多くの応用に適用される。例えば、光ファイバのレーリー後方散乱のOFDR測定に適用される。局所散乱強度、位相、位相の時間変化に関する情報が、非常に長いDUTファイバを含んでいるDUTファイバに沿っての各区画に対して入手できる。時間変化測定のこの空間分解能は掃引速度と存在する音響信号の最高周波数によって決まる。光ファイバからのレーリー散乱のスペクトルを精度よく測定することが出来ることは利用価値が高く、例えば振動または雑音の高い環境(例えば、飛行機、電力プラント、船など)の中で温度や歪の分布を検知するという用途がある。さらにファイバの時間変化の効果に影響されない性質があるので、レーザも掃引速度を低くすることが出来、これはシステムの動作距離の範囲を増大させるものである。その結果、音響耐性は数千メートルにまで拡張できる。この付加された距離範囲は装置の利用におけるもうひとつの重要な改良点である。
Claims (20)
- 干渉計により生成された干渉パターンデータを処理する方法であって、前記干渉計は、波長可変レーザから所与の光経路と参照光経路とにレーザ信号を供給し、該所与の光経路は関連した経路遅延を有しており、前記所与の光経路からの反射した光と前記参照光経路からの反射した光とを合成することで干渉パターンデータが生成され、
前記方法は、
前記レーザ信号についての第1のレーザ光位相を推定するステップと、
推定された前記レーザ光位相に基づいて前記所与の光経路について期待された複素応答を算出するステップと、
前記干渉計からの干渉パターンデータと前記レーザ光位相とを乗算することで積を生成するステップと、
前記積をろ波することで、前記干渉計によって生成された前記干渉パターンデータから前記所与の光経路に関連した干渉パターンデータを抽出するステップと
を含むことを特徴とする方法。 - 前記所与の光経路は、テスト対象のデバイス(DUT)に関連した光経路である
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記レーザ信号についての第1のレーザ光位相を推定するステップは、
前記レーザ信号の前記レーザ光位相についての遅延バージョンを推定するステップと、
前記遅延バージョンと前記第1のレーザ光位相との位相差を決定するステップと、
前記位相差の余弦を算出することで前記期待された複素応答の実数部を形成するステップと、
前記位相差の正弦を算出することで前記期待された複素応答の虚数部を形成するステップと
を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記期待された複素応答の実数部及び虚数部をローパスフィルタによりろ波して間引くことにより、前記干渉計によって生成された前記干渉パターンデータから前記所与の光経路に関連した干渉パターンデータを抽出するステップ
をさらに含むことを特徴とする請求項3に記載の方法。 - 前記レーザ光位相を推定するステップは、
前記レーザ光の一部を第2の干渉計に結合するステップと、
前記第2の干渉計からの干渉縞の信号を、前記干渉縞の信号の標本化形式である、前記干渉パターンデータに対応したデジタル信号に変換するステップと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記方法は、
前記デジタル信号に基づいて前記レーザ光位相の第1の微分値を推定するステップをさらに含み、
前記第1の微分値を推定するステップは、
前記デジタル信号をフーリエ変換するステップと、
フーリエ変換により得られた信号をウインドウ処理することで、前記所与の光経路における経路遅延に対応した、該フーリエ変換により得られた信号の一部を特定するステップと、
ウインドウ処理により得られた信号を逆フーリエ変換するステップと、
逆フーリエ変換により得られた信号の位相を計算するステップと
を含むことを特徴とする請求項5に記載の方法。 - 前記デジタル信号のゼロクロスを特定することで、該デジタル信号に基づいた前記レーザ光位相の第2の微分値を推定するステップと、
前記デジタル信号のゼロクロス間に位置する標本値の数を算出するステップと
を含むことを特徴とする請求項5に記載の方法。 - 前記推定されたレーザ光位相に基づいて前記所与の光経路について期待された複素応答を算出するステップは、
前記レーザ光位相の第2の微分値の遅延バージョンを推定するステップと、
前記所与の光経路における経路遅延の長さに対応した累積期間にわたり、前記レーザ光位相の第2の微分値の累積和を算出するステップと、
前記累積和を蓄積するステップと、
蓄積されている前記累積和の正弦を計算することで、前記期待された複素応答の虚数部を形成するステップと、
蓄積されている前記累積和の余弦を計算することで、前記期待された複素応答の実数部を形成するステップと
を含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。 - 前記期待された複素応答の実数部及び虚数部をローパスフィルタによりろ波して間引くことにより、前記干渉計によって生成された前記干渉パターンデータから前記所与の光経路に関連した干渉パターンデータを抽出するステップ
を含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 干渉計により生成された干渉パターンデータを処理する装置であって、前記干渉計は、波長可変レーザから所与の光経路と参照光経路とにレーザ信号を供給し、該所与の光経路は関連した経路遅延を有しており、前記所与の光経路からの反射した光と前記参照光経路からの反射した光とを合成することで干渉パターンデータが生成され、
前記装置は、
前記レーザ信号についての第1のレーザ光位相を推定する手段と、
推定された前記レーザ光位相に基づいて前記所与の光経路について期待された複素応答を算出する手段と、
前記干渉計からの干渉パターンデータと前記レーザ光位相とを乗算することで積を生成する手段と、
前記積をろ波することで、前記干渉計によって生成された前記干渉パターンデータから前記所与の光経路に関連した干渉パターンデータを抽出する手段と
を含むことを特徴とする装置。 - 前記所与の光経路は、テスト対象のデバイス(DUT)に関連した光経路である
ことを特徴とする請求項10に記載の装置。 - 前記レーザ信号についての第1のレーザ光位相を推定する手段は、
前記レーザ信号の前記レーザ光位相についての遅延バージョンを推定する手段と、
前記遅延バージョンと前記第1のレーザ光位相との位相差を決定する手段と、
前記位相差の余弦を算出することで前記期待された複素応答の実数部を形成する手段と、
前記位相差の正弦を算出することで前記期待された複素応答の虚数部を形成する手段と
を含むことを特徴とする請求項10に記載の装置。 - 前記期待された複素応答の実数部及び虚数部をローパスフィルタによりろ波して間引くことにより、前記干渉計によって生成された前記干渉パターンデータから前記所与の光経路に関連した干渉パターンデータを抽出する手段
をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の装置。 - 前記レーザ光位相を推定する手段は、
前記レーザ光の一部を前記干渉計に結合する手段と、
前記干渉計からの干渉縞の信号を、前記干渉縞の信号の標本化形式である、前記干渉パターンデータに対応したデジタル信号に変換する手段と、
を含むことを特徴とする請求項10に記載の装置。 - 前記装置は、
前記デジタル信号に基づいて前記レーザ光位相の第1の微分値を推定する手段をさらに含み、
前記第1の微分値を推定する手段は、
前記デジタル信号をフーリエ変換する手段と、
フーリエ変換により得られた信号をウインドウ処理することで、前記所与の光経路における経路遅延に対応した、該フーリエ変換により得られた信号の一部を特定する手段と、
ウインドウ処理により得られた信号を逆フーリエ変換する手段と、
逆フーリエ変換により得られた信号の位相を計算する手段と
を含むことを特徴とする請求項14に記載の装置。 - 前記デジタル信号のゼロクロスを特定することで、該デジタル信号に基づいた前記レーザ光位相の第2の微分値を推定する手段と、
前記デジタル信号のゼロクロス間に位置する標本値の数を算出する手段と
を含むことを特徴とする請求項15に記載の装置。 - 前記推定されたレーザ光位相に基づいて前記所与の光経路について期待された複素応答を算出する手段は、
前記レーザ光位相の第2の微分値の遅延バージョンを推定する手段と、
前記所与の光経路における経路遅延の長さに対応した累積期間にわたり、前記レーザ光位相の第2の微分値の累積和を算出する手段と、
前記累積和を蓄積する手段と、
蓄積されている前記累積和の正弦を計算することで、前記期待された複素応答の虚数部を形成する手段と、
蓄積されている前記累積和の余弦を計算することで、前記期待された複素応答の実数部を形成する手段と
を含むことを特徴とする請求項16に記載の装置。 - 前記期待された複素応答の実数部及び虚数部をローパスフィルタによりろ波して間引くことにより、前記干渉計によって生成された前記干渉パターンデータから前記所与の光経路に関連した干渉パターンデータを抽出する手段
を含むことを特徴とする請求項17に記載の装置。 - 前記の各手段がフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイを使用して実現されている
ことを特徴とする請求項10に記載の装置。 - 前記の各手段がソフトウエアによりプログラム化されたデータプロセッサを使用して実現されている
ことを特徴とする請求項10に記載の装置。
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