(57)【要約】【課題】光デバイスの性質、または、測定ユニットと光デバイスを接続する光伝送路の性質を決定するための改善された測定セットアップを提供する。【解決手段】測定ユニット１００と光リピータ２００との間を移動する光信号Ｐ１、Ｐ２の飛行時間の測定のため、測定ユニット１００は第１の光ビームＰ１を放射し、リピータ２００は第１の光ビームＰ１の一部を検出し、かつこの第１の光ビームＰ１に応答して第２の光ビームＰ２を発生（第１の光ビームＰ１および第２の光ビームＰ２は、決定された第１の時間関係を有する）し、測定ユニット１００は第２の位置２００から戻った第２の光ビームＰ２の一部を検出し、第１の光ビームＰ１と第２の光ビームＰ２との間の第２の時間関係を決定し、第１の時間関係と第２の時間関係とに基づいて、第１および第２の光ビームＰ１、Ｐ２の飛行時間を決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームの飛行時間を決定する方法であって、
第１の位置で第１の光ビームを放射するステップと、
第２の位置で前記第１の光ビームの一部を検出するステップと、
前記第２の位置で、前記第１の光ビームに応答して第２の光ビームを放射するステップであって、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとは、決定された第１の時間関係を有している、ステップと、
前記第１の位置で、前記第２の位置から戻る前記第２の光ビームの一部を検出するステップと、
前記第１の位置で、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとの間の第２の時間関係を決定するステップと、
前記第１の時間関係と前記第２の時間関係とに基づいて、前記第１のビームおよび前記第２のビームの飛行時間を決定するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記光ビームはパルス成形され、前記第１の時間関係は、前記第２の位置における前記第１の光ビームの一部の検出と前記第２の光ビームの放射との間の第１の期間であり、前記第２の時間関係は、前記第１の位置における前記第１の光ビームの放射と前記第２の光ビームの一部の検出との間の第２の期間である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の光ビームの放射時にタイマを開始し、前記第２の光ビームの一部の検出時に前記タイマを停止し、タイマ値をタイマクロック周波数で除算することにより、前記第２の期間が決定される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の光ビームの放射に伴う第１のタイマ値を記憶し、前記第２の光ビームの一部の検出に伴う第２のタイマ値を記憶し、前記第１のタイマ値と前記第２のタイマ値との間のタイマ差を決定し、タイマ値をタイマクロック周波数で除算することにより、前記第２の期間が決定される、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の光ビームおよび前記第２の光ビームは周期的に振幅変調された信号であり、前記第１の時間関係は、前記第２の位置における前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとの間の位相遅延時間であり、前記第２の時間関係は、前記第１の位置における前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとの間の位相遅延時間である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
光測定ユニットは前記第１の位置に配置され、該光測定ユニットは、第１の光ビームを放射し、前記第２の光ビームの一部を検出し、前記第２の期間を決定し、
光リピータは前記第２の位置に配置され、該光リピータは、前記第１の光ビームの一部を検出し、該第１の光ビームに応答して前記第２の光ビームを生成する、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記リピータは、光検出器、レーザドライバ、およびレーザダイオードを備え、
前記検出器は、前記第１の光パルスの一部を検出した後に前記レーザドライバをトリガし、
前記レーザドライバは前記レーザダイオードを変調し、
前記第１の期間は、前記検出器における前記第１の光ビームの一部の到着時間と、前記レーザダイオードにおける前記第２の光ビームの放射時間との間の遅延時間である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記検出器は光電気変換器であり、
前記第１の光ビームの到着までの高速検出と、信号雑音上での該第１の光ビームの安全な検出との間のトレードオフに達するように、前記変換器の電気回路の帯域幅が、前記第１の光ビームの一部の信号パワーに依存するように選択される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の光ビームおよび前記第２の光ビームは光ファイバ上で導かれ、該ファイバは前記光測定ユニットと前記光リピータとを接続する、請求項６または上記のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
異なる波長を有する複数のコヒーレントな第１の光ビームを続いて前記光ファイバ内に放射し、対応する第２の光ビームの複数の帰還部分を続いて検出し、前記第１の光ビームの各々について対応する飛行時間を決定し、前記光ファイバの色分散係数を前記飛行時間に基づいて決定する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離を、前記第１の光ビームの光の速度と前記第２の光ビームの光の速度と前記飛行時間とに基づいて決定する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
測定ユニットとターゲットとの間を移動する光ビームの飛行時間を決定するように構成された測定ユニットであって、
第１の光ビームを放射するように構成された送信器と、
前記第１の光ビームに応答して前記ターゲットから戻る第２の光ビームの一部を検出するように構成された検出器と、
前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとの間の時間関係値を測定するように構成された時間測定回路と、
第１の時間関係の値をリピータの特性として記憶するように構成されたデータメモリと、
測定された第２の時間関係と前記記憶された第１の時間関係とに基づいて前記飛行時間を決定するように構成された処理ユニットと、
を備えている、測定ユニット。
【請求項１３】
測定ユニットと光ターゲットとの間を移動する光ビームの伝送時間を決定するように構成された測定セットアップであって、
請求項１２に記載の測定ユニットと、
前記第１の光ビームの一部を検出し、該第１の光ビームに応答して第２の光ビームを生成および放射するように構成されたリピータであって、前記第１の光ビームおよび前記第２の光ビームは、前記測定ユニットのデータ処理ユニット内に記憶された決定された第１の時間関係を有している、リピータと、
を備えている測定セットアップ。
【請求項１４】
測定ユニットのデータ処理システム上で実行される際に下記のステップを実行する、好ましくはデータキャリア上に記憶されたソフトウェアプログラムまたはソフトウェア製品であって、
第１の光ビームの放射を示すトリガ信号を受信するステップと、
検出器から、光リピータから戻った第２の光ビームの一部の検出を示すトリガ信号を受信するステップと、
前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとの間の第２の時間関係を決定するステップと、
データメモリからリピータ遅延時間を示す第１の時間関係を読み出すステップと、
前記第１の時間関係と前記第２の時間関係とに基づいて、前記第１の光ビームおよび前記第２の光ビームの飛行時間を決定するステップと、
を含む、ソフトウェアプログラムまたはソフトウェア製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光路長に沿って移動する光信号を測定することに関する。この測定は、光デバイスの性質、または、測定ユニットと光デバイスを接続する光伝送経路の性質を決定するためにしばしば行われる。
【背景技術】
【０００２】
伝送経路の特定の性質の１つは、光伝送経路上のいわゆる飛行時間（time-of-flight）または往復時間である。たとえば測定ユニットとターゲットとの間の距離などを、伝送時間と光の速度に基づいて決定することができる。
【０００３】
距離測定の１方法は、光信号がターゲットまで到達しまたターゲットから戻る往復時間の決定に基づく。このような距離測定デバイスまたは距離計は米国特許第６，１０８，０７１号に開示されている。同特許は、光エミッタが放射パルスを放射した時間と、放射された放射パルスの反射された一部がデバイスに戻って受信される時間の間に経過した期間の長さを決定する非常に正確な方法を記述している。この方法はさらに、クロックパルスの部分期間も評価する。
【０００４】
上記の方法でカバーできる最大距離は、放射された光パルスの最大パワー、ビームコリメーション（beam collimation）、伝送減衰、ターゲットの反射性、受信器の感度によって制限されている。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，１０８，０７１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は改善された測定セットアップを提供することである。この目的は独立請求項によって解決される。好ましい実施形態は、従属請求項によって示される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、第１の位置に配置された測定ユニットは、第２の位置に配置された光ターゲットへ第１の光ビームを放射する。第１の光ビームの一部をターゲットで検出する。第１の光ビームに応答して、ターゲットは、第１の光ビームおよび第２の光ビームが、決定された第１の時間関係を有するようにして、第２の光ビームを生成する。ターゲットが放射する第２の光ビームの一部を測定ユニットで検出する。測定ユニットは、第１の光ビームと第２の光ビームとの間の第２の時間関係を決定し、第１の時間関係と第２の時間関係とに基づいて、第１のビームと第２のビームの飛行時間すなわち、第１のビームと第２のビームの伝送時間の合計を決定する。
【０００８】
受動ターゲット素子を使用する既存の技術は、測定信号が行きと帰りの両方の方向を移動しなければならず、したがって、測定ユニットとターゲットの間の光チャネルでは減衰を２回受け、また、ターゲットでは反射ロスを受けるという事実の影響を受けている。本発明は、帰還信号の強度の増加、したがって測定距離の増加および／または測定精度の上昇を可能にする。リピータは、任意のユーザインタフェースのない簡単な光デバイスとして実現できる。
【０００９】
測定ユニットと、今後は光リピータと呼ぶターゲットとは、たとえば光ファイバなどの二方向光チャネル上、または、適切な自由空間光学セットアップ上で接続できる。
【００１０】
本発明の一実施形態では、光ビームはパルス成形される。第１の時間関係は、ターゲットにおける第１の光ビームの一部の到着と第２の光ビームの放射との間の期間である。今後はリピータ時間遅延と呼ぶ。この期間は、設計によって知られるかおよび／または測定によって決定できる、ターゲットのあらかじめ定義された性質である。第２の時間関係は、第１の光ビームの放射と第２の光ビームの一部の検出との間の期間である。これは、第１の光ビームの移動時間、第２の光ビームの移動時間または帰還時間、リピータ時間遅延、および第２の光ビームの到着とこの光ビームの検出との間の時間遅延をカバーする。第２の期間は好ましくは、第１の光ビームを放射した時にタイマを開始し、第２の光ビームの一部を検出した時にタイマを停止することによって決定する。別法としては、第２の期間は、第１の光ビームを放射した時の第１のタイマの値を記憶し、第２の光ビームの一部を検出した時の第２のタイマの値を記憶し、第１のタイマ値と第２のタイマ値の差を決定することによって決定する。
【００１１】
代替の実施形態では、第１の光ビームと第２の光ビームは周期的に振幅が変調された信号である。第１の時間関係は、第２の位置における第１の光ビームと第２の光ビームとの間の位相遅延時間から導出し、第２の時間関係は、第１の位置における第１の光ビームと第２の光ビームとの間の位相遅延時間から導出する。
【００１２】
本発明の別の実施形態では、異なる波長を有する複数の第１の光ビームを続いてファイバに放射し、対応する複数の第２の光ビームの帰還部分を続いて検出し、各光ビームについて、対応する飛行時間を決定する。さらに、異なる波長を、対応する伝送時間に関連づけることによって図を計算し、伝送媒体の色分散係数を図の導関数から計算する。
【００１３】
本発明の代替の実施形態では、第１の位置と第２の位置との間の距離を、第１の光ビームおよび第２の光ビームの光の速度、および飛行時間に基づいて決定する。両方のビームが同様な波長を有し同じ光チャネルを移動する場合、光の速度は両方のビームについて同様である。したがって、距離は、飛行時間と光の速度との積を２で除算することによって決定される。
【００１４】
本発明は、１つまたは複数の適切なソフトウェアプログラムによって部分的または完全に具体化またはサポートできる。ソフトウェアプログラムは任意の種類のデータキャリア上に記憶するかまたは他の方法でデータキャリアが提供してもよい。本発明の一実施形態では、測定ユニットに関連づけられたデータ処理ユニット内に記憶されたソフトウェアプログラムは、第１の光ビームの放射を示すトリガ信号を光源から受信し、第２の光ビームの検出を示すトリガ信号を検出器から受信するステップと、第１の光ビームと第２の光ビームとの間の第２の時間関係を決定するステップと、データ処理ユニットのメモリ内に記憶された第１の時間関係と、第２の時間関係とに基づいて第１の飛行時間と第２の飛行時間を決定するステップとを含む。データ処理ユニットは測定ユニットに統合してもよいし、または、測定ユニットに電気接続する別のユニットとして実現してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の他の目的および多くの付随する利点は、付随する図面と共に次の詳細な説明を参照すると容易によりよく理解されよう。
【００１６】
図１は、測定ユニット１００、リピータ２００、光ファイバ３００を示す。測定ユニット１００は、第１の光送信器１０１、第１の光受信器１０２、第１の光カプラ１０３、第１の制御ユニット１１０を備える。この制御ユニットはさらに、データ処理ユニット１１１とデータメモリユニット１１２を備える。リピータ２００は第２の光送信器２０１、第２の光受信器２０２、第２の光カプラ２０３、第２の制御ユニット２１０を備える。第１の送信器１０１と第１の検出器１０２は、第１の光カプラ１０３に光学的に接続し、第２の送信器２０１と第２の検出器２０２は第２の光カプラ２０３に光学的に接続する。ここで、第１のカプラは矢印Ｐ１で示された第１の光パルスＰ１を光ファイバ３００の第１の端に結合し、第２のカプラは矢印Ｐ２で示された第２の光パルスＰ２を光ファイバ３００の第２の端に結合する。
【００１７】
光ファイバ３００の代りに、他の任意の種類の光伝送経路、すなわち導波管または自由空間を使用することができる。
【００１８】
第１の制御ユニット１１０は第１の送信器１０１に電気接続して第１のトリガ信号Ｔ１を第１の制御ユニット１１０から第１の送信器１０１に送信し、さらに第１の検出器１０２に電気接続して第１の検出信号Ｄ１を第１の検出器１０２から第１の制御ユニット１１０に送信する。第２の制御ユニット２１０は第２の送信器２０１に電気接続して第２のトリガ信号Ｔ２を第２の制御ユニット２１０から第２の送信器２０１に送信し、さらに第２の検出器２０２に電気接続して第２の検出信号Ｄ２を第２の検出器２０２から第２の制御ユニット２１０に送信する。
【００１９】
測定の開始時に、第１の制御ユニット１１０は第１のトリガ信号Ｔ１を第１の送信器１０１に送信し、同時にタイマを開始する。トリガ信号により、第１の送信器１０１は第１の光パルスＰ１を光ファイバ３００に放射する。光ファイバ３００の長さと光ファイバ３００内の光の速度に依存する期間の後、光パルスＰ１の一部は光リピータ２００の第２の検出器２０２に当たる。この一部、すなわち減衰の量はファイバ長とファイバ減衰に依存する。例として、１００ｋｍのファイバ長と０．３ｄＢ／ｋｍのファイバ減衰の場合、第２のファイバ端で３０ｄＢの減衰が生じる。第２の検出器２０２は光電気変換器であり、入射光の検出されたパワーを対応する電流に変換する。これは第２の検出信号Ｄ２と呼ばれる。この信号は第２の制御ユニット２１０が評価する。ここで、制御ユニットは、測定セットアップから知られる期待されるあらかじめ定義された性質を伴う光パルスを受信したかどうかについて、高速に信頼性高く決定するための論理回路を備える。決定が肯定的な場合、第２のトリガ信号を第２の光源２０１に送信する。第２の光源２０１は、第１の光パルスＰ１とは反対の方向で放射される第２の光パルスＰ２を生成する。光ファイバ３００の長さと光ファイバ３００内の光の速度に依存するさらなる期間の後、第２の光パルスＰ２の一部は測定ユニット１００の第１の検出器１０２に入射する。帰還パルスの減衰の量は、上述の第１の光パルスの減衰の量と実質的に同様である。第１の検出器１０２は第２の検出器２０２と同様に、今後第１の検出信号Ｄ１と呼ばれる電気信号を第１の制御ユニット１１０に送信する。帰還パルスを検出または認識するとすぐに、測定開始時に開始したタイマを停止する。こうして、第１の光パルスＰ１の放射と第２の光パルスＰ２の検出の間の時間を、タイマメモリに記憶する。
【００２０】
たとえば１００ｋｍ以上などの長距離測定を可能にするために、第１の光源１０１と第２の光源２０１は、高パワーの短い光パルスを生成するレーザダイオードとして実現する。
【００２１】
タイマは、好ましくは高周波クロックデバイスから出力されるクロックパルスまたは信号遷移の数を数えるカウンタである。
【００２２】
上記の説明では、カウンタによる時間の測定は、たとえば測定ユニット１００内で受信された光信号の完全にサンプリングされたトレースを取得し、この記憶されたデータから時間遅延を抽出するなど、他の方法でも実現できることに注意されたい。
【００２３】
ミラーをリモートターゲットとして使用することとは異なり、光リピータ２００は光パルスが第２の検出器２０２に入射した時と、帰還光パルスがその応答として放射された時との間の時間遅延を示す。この時間遅延はまた第１の期間と呼ばれる。第１の期間は、測定ユニット１００のメモリ１１２内に記憶された光リピータ２００の性質である。第１の制御ユニット１１０は、記憶された第１の期間を測定された第２の期間から減算することによって、第１の光パルスＰ１と第２の光パルスＰ２の両方の遷移時間から構成される飛行時間を計算する。
【００２４】
本発明の一実施形態では、第１の制御ユニット１１０は、メモリ１１２内に記憶されたファイバの光の速度と、計算された飛行時間とを乗算することによって、測定ユニット１００の位置と光リピータ２００の位置との間の距離を計算する。
【００２５】
第１および／または第２の検出器上の光パルスの入射と、対応する第１および／または第２の制御ユニットの光パルスの認識との間に長い遅延時間が生じることを避けるために、電子回路の帯域幅は広い周波数範囲をカバーすべきである。しかし、広い周波数範囲をカバーすると、広い範囲の信号雑音が捕捉されるという問題が生じる。これにより、存在しないパルスを電子論理が間違って認識する可能性がある。
【００２６】
第１の光パルスＰ１または第２の光パルスＰ２の放射の代わりに、第１の送信器と第２の送信器は各々、好ましくは同様な変調特性を伴う周期的に振幅が変調された信号を放射する。光リピータにおいては、応答信号を、検出された信号に対して決定された位相関係で生成する。測定ユニットにおいては、蓄積された位相遅れを測定し、また、光リピータの固定された位相遅延を減算して、飛行時間遅延に対応する位相遅延だけを得る。この位相遅延と変調周波数とに基づいて飛行時間遅延を決定する。
【００２７】
別の実施形態では、光ファイバの色分散の測定を、ファイバを介した相対的な群遅延を測定パルスの波長の関数として分析することによって行う。群遅延を測定するために、たとえば波長可変レーザなどの波長可変光源を測定ユニットの光源として使用し、異なる波長で光パルスを生成する。ついで波長可変レーザの波長を１ステップずつインクリメントし、各波長ステップについて飛行時間を決定する。最後に、飛行時間測定値の組を使用して、相対的な群遅延の計算、および、微分により色分散係数の計算を行う。
【００２８】
光リピータでは、対応する波長可変レーザは対応する帰還信号を生成するために使用できる。この場合、波長ごとの飛行時間は、考慮される光ファイバの各方向の伝送時間の２倍である。
【００２９】
しかし、光リピータをできる限り簡単にするために、好ましくは光リピータまたはトランシーバは、測定ユニット１００の波長可変レーザが放射するパルスを受信した見返りとしての固定波長で強力な応答パルスを生成するレーザダイオードを備える。この場合、この波長におけるファイバの１方向の伝送時間は、固定波長で測定パルスを送信したときに決定しなければならない（双方向の伝送時間の半分を決定することにより）。また、異なる波長で測定された各伝送時間から減算しなければならない。分散特性の計算に、たとえば相対的な群遅延だけでよいなど、絶対タイミングデータが必要でない場合、リピータ２００から測定ユニット１００に戻る飛行時間は、一定量として扱うことができ、これは最終的にはその後の計算で相殺される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】光ファイバ上の光リピータに接続する、本発明による光測定ユニットを使用した、本発明による測定セットアップの概略図である。
【符号の説明】
【００３１】
１００：測定ユニット
１０１：第１の光送信器
１０２：第１の光受信器
１０３：第１の光カプラ
１１０：第１の制御ユニット
１１１：データ処理ユニット
１１２：データメモリユニット
２００：リピータ
２０１：第２の光送信器
２０２：第２の光受信器
２０３：第２の光カプラ
２１０：第２の制御ユニット
２１１：第２の光源
３００：光ファイバ
【図１】
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