(57)【要約】      （修正有）【課題】時間変化する外乱を受ける検知ライトガイドのパラメータを測定するための光学インテロゲーションシステムを提供する。【解決手段】光学インテロゲーションシステム、例えばＯＦＤＲベースのシステムは、時間変化する外乱にさらされる検知ライトガイドの屈折率の局所的な変化を測定する。検知ライトガイドの長さに対して検出される干渉測定信号は、スペクトル領域に変換される。時間変化する信号が、変換された干渉測定データセットから決定される。補償信号が、時間変化する外乱に対して干渉測定データセットを補償するために使用される時変信号から決定される。さらに、ロバスト性が、平均すること及びひずみ補償を使用して達成される。補償技術は、光ガイドの長さに沿って適用されることができる。【選択図】図１
2018010011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学インテロゲーションシステムであって：
光学干渉インテロゲータ；
検知ライトガイドの長さに対して光学干渉測定信号を検出するための、前記光学干渉インテロゲータに接続される、光学検出回路；及び
データ処理回路であって：
前記光学検出回路から前記光学干渉測定信号を受信し、
前記光学干渉測定信号に基づいて、前記検知ライトガイドの前記長さに沿った前記検知ライトガイドのセグメントに対応する干渉測定セグメントデータを生成し、
前記干渉測定セグメントデータをスペクトル領域に変換し、
変換された前記干渉測定セグメントデータをベースライン参照干渉測定データと比較することによって補償信号を決定し、
前記干渉測定セグメントデータの少なくとも一部に対して時変外乱を補償するように前記補償信号を使用する、ように構成される、
データ処理回路；を有する、
光学インテロゲーションシステム。
【請求項２】
前記光学干渉インテロゲータは、前記光学干渉測定信号を生成するための単一の光学干渉計を含む、
請求項１に記載の光学インテロゲーションシステム。
【請求項３】
前記干渉測定セグメントデータの前記少なくとも一部は、前記時変外乱が生じる前記検知ライトガイドに沿った場所と異なる前記検知ライトガイドに沿った場所に対応する、
請求項１に記載の光学インテロゲーションシステム。
【請求項４】
前記光学インテロゲーションシステムは、インテロゲーション光源を含む光周波数領域リフレクトメトリ（ＯＦＤＲ）ベースのシステムであり、
前記光学干渉測定信号は、時間に応じた、前記検知ライトガイドに沿った後方散乱振幅を示し、
前記検知ライトガイドは光ファイバであり、
前記データ処理回路は、前記光ファイバにおけるひずみに対して前記干渉測定セグメントデータを補償するように構成される、
請求項１に記載の光学インテロゲーションシステム。
【請求項５】
前記補償信号は位相信号であり、
前記データ処理回路は：
前記変換された干渉測定セグメントデータから前記位相信号を抽出し、
抽出された前記位相信号から直線近似を取り除くことによって前記検知ライトガイドへの前記時変外乱を表す非線形信号を決定する、
ように構成され、
前記非線形信号は前記補償信号である、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学インテロゲーションシステム。
【請求項６】
前記補償信号は位相信号であり、
前記データ処理回路は：前記スペクトル領域の前記ベースライン参照干渉測定データを使用して、前記スペクトル領域の前記変換された干渉測定セグメントデータから前記位相信号を抽出する、ように構成される、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学インテロゲーションシステム。
【請求項７】
前記データ処理回路は：
前記干渉測定セグメントデータを複数のデータセグメントに分割し、
前記複数のデータセグメントのそれぞれを前記スペクトル領域に変換し、
前記スペクトル領域において、合成されたデータセグメントを生成するよう、複数の変換された前記データセグメントを、前記ベースライン参照干渉測定データからのものである対応するベースライン参照データセグメントと合成し、
合成された前記データセグメントを平均し、
平均された前記合成されたデータセグメントから位相応答を決定し、
前記位相応答に基づいて前記時変外乱に対応する時変信号を決定する、
ように構成される、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学インテロゲーションシステム。
【請求項８】
前記データ処理回路は：
前記干渉測定セグメントデータを複数のデータセグメントに分割し、
前記複数のデータセグメントのそれぞれに関連付けられるひずみを決定し、
前記補償信号を決定するうえで前記複数のデータセグメントのそれぞれに関連付けられる前記ひずみを使用する、
ように構成される、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学インテロゲーションシステム。
【請求項９】
前記データ処理回路は：
前記干渉測定セグメントデータを複数のデータセグメントに分割し、
前記複数のデータセグメントのそれぞれの前記データセグメントを、前記ベースライン参照干渉測定データからの対応するベースライン参照データセグメントと比較し、
時間領域において前記対応するベースライン参照データセグメントと前記複数のデータセグメントとの間のミスアライメントの量を示す時間遅延を決定し、
前記時間領域において前記対応するベースライン参照データセグメント及び前記複数のデータセグメントを整列させるように前記時間遅延を使用する、
ように構成される、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学インテロゲーションシステム。
【請求項１０】
光学インテロゲーションシステムの作動方法であって：
検知ライトガイドの長さに対して光学干渉測定信号を生成するステップ；
前記光学干渉測定信号を使用して干渉測定セグメントデータを生成するステップであって、前記干渉測定セグメントデータは、前記検知ライトガイドの前記長さに沿った前記検知ライトガイドのセグメントに対応する、ステップ；
前記干渉測定セグメントデータをスペクトル領域に変換するステップ；
変換された前記干渉測定セグメントデータをベースライン参照干渉測定データと比較することによって、時変外乱に対する補償信号を決定するステップ；及び
前記時変外乱に対して前記干渉測定セグメントデータの少なくとも一部を補償するように前記補償信号を使用するステップ；を有する、
方法。
【請求項１１】
前記検知ライトガイドの前記長さに対して前記光学干渉測定信号を生成するステップは、前記光学干渉測定信号を生成するための単一の光学干渉計を使用するステップを含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記方法は、インテロゲーション光源を含む光周波数領域リフレクトメトリ（ＯＦＤＲ）ベースのシステムを使用し、
前記光学干渉測定信号は、時間に応じた前記検知ライトガイドに沿った後方散乱振幅を示し、
前記検知ライトガイドは光ファイバであり、
前記方法はさらに、前記光ファイバにおけるひずみに対して前記干渉測定セグメントデータを補償するステップを含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記補償信号は位相信号であり、
前記方法はさらに：
前記変換された干渉測定セグメントデータから前記位相信号を抽出するステップ；及び
抽出された前記位相信号から直線近似を取り除くことによって前記検知ライトガイドへの前記時変外乱を表す非線形信号を決定するステップ；
を含み、
前記非線形信号は前記補償信号である、
請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記干渉測定セグメントデータを複数のデータセグメントに分割するステップ；
前記複数のデータセグメントのそれぞれを前記スペクトル領域に変換するステップ；
前記スペクトル領域において、合成されたデータセグメントを生成するよう、複数の変換された前記データセグメントを、対応するベースライン参照データセグメントと合成するステップであって、前記対応するベースライン参照データセグメントは、前記ベースライン参照干渉測定データからのものである、ステップ；
合成された前記データセグメントを平均するステップ；
平均された前記合成されたデータセグメントから位相応答を決定するステップ；及び
前記位相応答に基づいて前記時変外乱に対応する時変信号を決定するステップ；をさらに含む、
請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記干渉測定セグメントデータを複数のデータセグメントに分割するステップ；
前記複数のデータセグメントのそれぞれに関連付けられるひずみを決定するステップであって、前記ひずみは、前記複数のデータセグメントの隣接する前記データセグメントの応答間のミスアライメントの量を示す、ステップ、及び
前記補償信号を決定するうえで前記複数のデータセグメントのそれぞれに関連付けられる前記ひずみを使用するステップ、をさらに含む、
請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記干渉測定セグメントデータを複数のデータセグメントに分割するステップ；
前記複数のデータセグメントのそれぞれの前記データセグメントを、前記ベースライン参照干渉測定データからの対応するベースライン参照データセグメントと比較するステップ；
時間領域において前記対応するベースライン参照データセグメントと前記複数のデータセグメントとの間のミスアライメントの量を示す時間遅延を決定するステップ；及び
前記時間領域において前記対応するベースライン参照データセグメント及び前記複数のデータセグメントを整列させるように前記時間遅延を使用するステップ；をさらに含む、
請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権出願）
本願は、２０１１年１２月５日に出願された米国仮特許出願第６１／５６６,８６０号及び２０１２年３月２３日に出願された米国仮特許出願第６１／６１４,６６２号の優先権を主張し、これらの内容は本明細書に参照により援用される。
【０００２】
本技術は、干渉検知応用に関連する。１つの例示の適用は、光周波数領域リフレクトメトリ（ＯＦＤＲ）検知への適用である。
【背景技術】
【０００３】
光周波数領域リフレクトメトリ（ＯＦＤＲ）は、光ファイバにおきて高い空間分解能でひずみを測定するための有効なシステムであると証明されている。例えば、特許文献１乃至４参照。この高分解能特性は、形状検知応用に非常に有用であると証明されている。例えば、特許文献５乃至７参照。シングルコアファイバでのより単純なひずみ検知応用が特許文献８に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，５４５，７６０号
【特許文献２】米国特許第６，５６６，６４８号
【特許文献３】米国特許第５，７９８，５２１号
【特許文献４】米国特許第７，５３８，８８３号
【特許文献５】米国特許第７，７７２，５４１号
【特許文献６】米国特許第７，７８１，７２４号
【特許文献７】米国特許公開第２０１１０１０９８９８号
【特許文献８】米国特許公開第２０１１０２４７４２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＯＦＤＲは、レーザが調整される広い周波数範囲にわたってデータを取得することによって高い空間分解能を達成する。ほとんどの応用では、この調整は、レーザが周波数の範囲を掃引されるときの時間にわたって行われる。この技術を使用するとき、試験中のファイバは、掃引期間中、静止又は不変であることが仮定される。しかし、レーザが掃引される期間中に測定されるシステムが変化する場合、結果として生じる測定値は劣化させられ得る。このような変化は、試験中のファイバの運動又は試験中のファイバを器具に接続する光ファイバ導線の動きに起因し得る。このような経時変化の存在においてより高い品質の測定を達成することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例示的な実施形態は、時間変化する外乱を受ける検知ライトガイドのパラメータを測定するための方法及び光学インテロゲーション（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）システムを含む。例示の時間変化する外乱は、検知ライトガイドの動きである。光学インテロゲーションシステムは、光干渉インテロゲータ（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｏｒ）及び、ある長さの検知ライトガイドに対する光干渉測定信号を検出するために、光干渉インテロゲータに結合される、光検出回路を含む。データ処理回路が、光学検出回路からの干渉測定信号を受信し、検知ライトガイドの長さに対する干渉測定データセットを生成する。干渉測定データセットは、スペクトル領域に変換され、時変信号が変換された干渉測定データセットから決定される。補償信号が、時変信号から決定され、パラメータの測定値を向上させるために、時間変化する外乱に対して干渉測定データセットを補償するように使用される。
【０００７】
１つの例示的な実装では、光学インテロゲーションシステムは、インテロゲーション光源を含む光周波数領域リフレクトメトリ（ＯＦＤＲ）ベースのシステムであり、光学干渉測定信号は、検知ライトガイドに沿った時間に応じた後方散乱振幅を示す。
【０００８】
限定ではない実施形態では、処理回路は、干渉測定データセットを干渉参照データセットと比較することによって時変信号を決定する。干渉測定データセットは、干渉測定データセットの反射イベントを決定し、受信された干渉データは、反射イベントの周りで窓を掛けられる。時変信号は、位相信号であってもよく、この場合、データ処理回路は、位相信号をアンラップすることによって、変換された干渉測定データセットから位相信号を抽出し、アンラップされた位相信号から直線近似を取り除くことによってセンサへの時間変化する外乱を表す非線形信号を決定する。この例では、非線形信号は補償信号である。データ処理回路は次に、時間変化する外乱に対して干渉測定データセットを補償するために、非線形信号を干渉測定データセットから差し引き得る。
【０００９】
時変信号が位相信号である、他の例示的な実施形態では、データ処理回路は、スペクトル領域においてベースラインデータセットに対して比較することによって、スペクトル領域において変換された干渉測定データから位相信号を抽出するように構成される。
【００１０】
他の例示的な実施形態では、データ処理回路は：干渉測定データセットを複数の測定データセグメントに分割するように；セグメントのそれぞれを変換するように；複数の変換された測定セグメントを、対応する参照スペクトルデータセグメントと合成するように；合成されたセグメントを平均するように；平均されたセグメントから位相応答を決定するように；及び位相応答に基づいて時変信号を決定するように、構成される。さらに、データ処理回路は、測定データセグメントに印加されるひずみを決定するように構成されることができ、ひずみは、隣接する測定データセグメントの応答間のミスアライメントの量を示し、測定されたひずみをスペクトル領域において測定データセグメントの応答を整列させるために使用し得る。
【００１１】
他の例示的な実施形態では、データ処理回路は、各データセグメントを対応する参照データセグメントとスペクトル領域で比較するように；時間領域において参照データセグメントとデータセグメントとの間のミスアライメントの量を示す時間遅延を決定するように；及び時間領域において参照データセグメントとデータセグメントを整列させるために測定された時間遅延を使用するように、構成される。
【００１２】
検知ライトガイドが光ファイバである例では、データ処理回路は、光ファイバのひずみに対して干渉測定データセットを補償するように構成され得る。
【００１３】
好適であるが例示的な実施形態では、データ処理回路は、動き、時間遅延、及び検知ライトガイドに沿ったひずみを決定するように並びに蓄積された動き、時間的なミスアライメント、及び検知ライトガイドに沿ったひずみを補償するように、構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】センサが時間変化する外乱を受ける光周波数領域リフレクトメトリ（ＯＦＤＲ）ベースの検知システムの非限定的な例である。
【図２】ＯＦＤＲシステムを使用する非限定的な例示の分散測定手順のフローチャートである。
【図３】理論的な振幅とＯＦＤＲを使用して測定される理想的な１つの反射ピークの光学的な遅れのプロットである。
【図４】線形位相応答を示す、アンラップされた後の図３に示される位相のプロットである。
【図５】位相が、ある時間変化する変化によって、取得掃引中にひずんでいる、振幅対１つのリフレクタからの遅れのプロットである。
【図６】図５に示されたひずんだピークの位相対光周波数のプロットである。
【図７】ポイントＡで測定された補正値が測定ポイントＡと器具との間の外乱に対して全ての後続のポイントを補正することができることを示す非限定的な例示の図である。
【図８】両方のピークが光学的な周波数領域においてある時間変化する位相によってひずめられる、２つの反射イベントからの振幅対遅れのプロットである。
【図９】窓が目盛り５０の反射ピークの周りに示される状態の図８のプロットである。
【図１０】第１の反射ピークからの情報のみを示す図９の窓を示す。
【図１１】図１０の窓を掛けられたデータのフーリエ変換から計算された位相ひずみを描く。
【図１２】灰色で遅れ領域のオリジナルのひずんだ反射ピークを及び黒で、データが位相補正を使用して補正された後のピークを示す図である。
【図１３】ＯＦＤＲ測定における時変信号を抽出する及びその後修正するための非限定的な例示の手順のフローチャートである。
【図１４】参照ＯＦＤＲデータセットと測定ＯＦＤＲデータセットとの間のスペクトル領域の時間変化する位相応答を抽出及び平均するための非限定的な例示の手順のフローチャートである。
【図１５】シミュレートされた散乱振幅対遅れの例示のプロットを示す。
【図１６】散乱データに加えられることになる例示の位相ひずみのプロットを示す。
【図１７】黒線としてオリジナルの散乱振幅と散乱パターンの遅れを及びグレー線として図１６からの位相ひずみによって周波数領域でひずめられた後の散乱振幅を示すグラフである。
【図１８】散乱パターンの１つの遅れ領域セグメントから計算されたスペクトル位相ひずみのプロットである。
【図１９】印加される位相ひずみ（グレー）と比較してスペクトル領域の各セグメントから複素数データを平均することによって計算される位相ひずみ対周波数のプロットである。
【図２０】補間された計算された位相ひずみとオリジナルの印加される位相ひずみを対比している。
【図２１】オリジナルの散乱パターンの振幅と補正された散乱パターンを示す。
【図２２】ファイバ導線に与えられる４つの異なる振動に対する位相ひずみ対光周波数を示す。
【図２３】振動補正あり及び振動補正なしで３００Ｈｚで検知ファイバを振動させた後の検知ファイバに沿って計算されるひずみを示す。
【図２４】検知ファイバが電動ファンの上にもたれている状態の検知ファイバに沿って計算されたひずみを示す。
【図２５】ひずみの無いファイバの長さに対して、波長に応じた複数のスライスに対して計算される位相ひずみを示す。
【図２６】もともと印加される位相ひずみと比べて図３０に示されるデータを平均することによって計算される位相ひずみを示す。
【図２７】ひずみのあるファイバの長さに対して、波長に応じた複数のスライスに対して計算される位相ひずみを示す。
【図２８】ひずみのあるファイバの長さに対して、波長に応じた複数のスライスに対して計算される位相ひずみを示し、各セグメントは印加されるひずみに対して補正されている。
【図２９】動き補正信号を抽出するために使用されるセグメントにわたる一様な軸方向ひずみの影響を取り除くための例示のステップを示すフローチャートである。
【図３０】遅れ領域における参照と測定との間の複素数の乗算の抽出された変数がどのように、測定に印加されるひずみの結果として光学的な遅れにおける変化の尺度を提供するかを示す、位相と遅れのグラフである。
【図３１】参照と補正された測定との間の複素数の乗算の変数から抽出される光学的な遅れ応答を示す位相対遅れのグラフである。
【図３２】蓄積された振動、蓄積されたひずみ、及び参照と測定セグメントとの間の遅れの不整合を補正するファイバの長さに沿って実行され得る例示のフィードバックプロセスを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の記述では、限定する目的ではなく、説明の目的で、特定の実施形態等、特定の詳細を述べる。しかし、他の実施形態がこれらの特定の詳細から離れて用いられ得ることが当業者には理解されるであろう。いくつかの場合には、不必要な詳細のために記述をあいまいにしないように、良く知られた方法、インタフェース、回路、およびデバイスの詳細な記述が省略される。個別のブロックがいくつかの図の中に示されている。当業者は、そのようなブロックの機能が、個々のハードウェア回路を用いて、適切にプログラムされたデジタル・マイクロプロセッサまたは汎用コンピュータと共にソフトウェアプログラム及びデータを用いて、特定応用向け集積回路（ＡＳＩＣ）を用いて、及び／又は１又は複数のデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いて実現され得ることを理解するであろう。ソフトウェアプログラム命令およびデータが、固定、コンピュータ可読記憶媒体に記憶されることができ、コンピュータまたは他の適切なプロセッサ制御によって命令が実行されるときに、コンピュータまたはプロセッサは、これらの命令に関連付けられる機能を実行する。
【００１６】
したがって、例えば、当業者には、本明細書におけるブロック図が、例示的回路又は他の機能ユニットの概念図表すことができると理解されるであろう。同様に、いずれのフローチャート、状態遷移図、擬似コード等も、種々の処理を表し、これらの処理は、コンピュータ可読媒体の中に実質的に表され得る様々なプロセスを示し、したがって、コンピュータまたはプロセッサによって、このようなコンピュータまたはプロセッサが明示されているか否かに拘わらず、実行され得ることが、理解されるであろう。
【００１７】
様々な図示されたブロックの機能は、回路ハードウェア、及び／又はコンピュータ可読媒体に記憶された符号化命令の形態のソフトウェアを実行することができるハードウェア等、ハードウェアを使用することを通して提供され得る。したがって、これらの機能及び図示された機能のブロックは、ハードウェアで実装される及び／又はコンピュータで実装される、したがってマシンで実装されるものであると理解されるべきである。
【００１８】
ハードウェア実装に関して、機能ブロックは、限定ではなく、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）ハードウェア、縮小命令セットプロセッサ、限定されるものではないが特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及び／又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含むハードウェア（例えば、デジタル又はアナログ）回路、および、これらの機能を実行することができる状態マシン（適切であるならば）を含む又は包含し得る。
【００１９】
コンピュータ実装に関して、コンピュータは、１又は複数のプロセッサまたは１又は複数のコントローラを有すると一般的に理解されており、用語コンピュータ、プロセッサ、およびコントローラは互に交換可能に用いられ得る。コンピュータ、プロセッサ、又はコントローラによって提供される場合には、機能は、単一の専用のコンピュータまたはプロセッサまたはコントローラによって、単一の共有されたコンピュータまたはプロセッサまたはコントローラによって、または、その内のいくつかは共有され得るまたは分散され得る、複数の個別のコンピュータまたはプロセッサまたはコントローラによって提供され得る。さらに、用語「プロセッサ」または「コントローラ」は、これらの機能を実行することができる、および／またはソフトウェアを実行することができる、上述の例示のハードウェア等、他のハードウェアも指す。
【００２０】
本明細書の技術は、センサの動きを補償するＯＦＤＲベースの方法及び装置を提供する。用語センサは、ＯＦＤＲベースの測定技術が適用され得る任意の導波路を含む。ＯＦＤＲ測定値を歪める時変信号は、ＯＦＤＲ測定のものに相当するタイムスケールにわたって生じる任意の形態のセンサの動きを含む。振動は１つの非限定的な例である一方、突然の動きはもう一つである。一定周波数及び振幅の振動が、ＯＦＤＲ測定においてはっきりした特徴を有する一方、ＯＦＤＲ測定中の実験台の振動は明確でない特徴を有する。両方の場合で、動きは、意図された測定の精度に有害になり得る。したがって、発明者は、配置された検知環境で与えられたセンサが経験し得る広い範囲の動きに対処するためのアプローチが発展されなければならないことを理解していた。用語「動き」は、ＯＦＤＲ測定中に検知ファイバの位置を変化させる任意のタイプの誤差原因を包含するように用いられる。
【００２１】
ＯＦＤＲは、導波路の長さに沿った散乱プロファイルの高分解能分散測定を実行するのに非常に効果的である。導波路に沿った光の散乱は、与えられた場所における局所的な屈折率に関連している。２つの連続的な測定が、散乱プロファイルの変化を検出することによって導波路の長さに沿った反射率の局所的な変化を検出するために比較されることができる。
【００２２】
図１は、１又は複数の測定及び／又は検知用途に有用である光ファイバセンサ１０の長さに沿った反射率の局所的な変化をモニタするために使用されるＯＦＤＲシステム２０の非限定的な例示の構成である。ある用途では、光ファイバセンサは、センサとして機能し、他の用途では、それは、試験中の装置（ＤＵＴ）又は他の構成要素であり得る。時間変化する外乱又は動き１２が、ファイバ１０の特定の位置に衝撃を与えて示されている（用語ファイバが、便宜上使用されているが、技術は任意の適切は導波路に適用される）。波長可変光源３０が、光周波数の範囲にわたって掃引される。この光は、光結合器の使用で分割されるとともに２つの別々の干渉計に送られる。第１の干渉計は、検知ファイバ１０に接続された干渉インテロゲータ３４として機能する。光は干渉インテロゲータ３４の測定アームを通って検知ファイバ１０に入る。ファイバ１０の長さに沿った散乱光は、次に、干渉インテロゲータ３４の参照アームに沿って進む光と干渉させられる。レーザモニタネットワーク３２内の第２の干渉計は、光源３０が周波数範囲にわたってスキャンするときのチューニング率の変動を測定する。レーザモニタネットワーク３２はまた、測定操作全体にわたる絶対波長基準を提供するために使用されるシアン化水素（ＨＣＮ）ガスセルを含む。一連の光検出器４０は、レーザモニタネットワーク３２、ガスセルＨＣＮ、及び検知ファイバ３５からの干渉パターンからの検出された光信号を、データ取得ユニット３６のための電気信号に変換する。データプロセッサ２８は、図２と併せてより詳細に説明されるようにセンサ１０の長さに沿った散乱プロファイルを抽出するために、データ取得ユニット３６からの取得された電気信号を使用する。
【００２３】
図２は、ＯＦＤＲシステムを使用する非限定的な例示の分散測定手順のフローチャートである。ステップＳ１において、波長可変光源は、光周波数の範囲にわたって掃引され、インテロゲータの測定アームを経由してセンサ１０に導かれる（ステップＳ２）。センサ１０の長さに沿った散乱光は、干渉インテロゲータの参照経路を通って進んだ光と干渉する。絶対波長基準が測定スキャンのために提供され(ステップＳ３)、チューニング率変化が測定される（ステップＳ４）。光検出器は、データプロセッサ２８による処理のために、検出された光信号を電気信号に変換する（ステップＳ５）。検知ファイバの干渉パターンは、好ましくは、検出された信号が光周波数の一定の増分とともにサンプリングされていることを確実にするために、レーザモニタ信号を使用してリサンプルされる（ステップ６）。いったんリサンプルされると、フーリエ変換が、時間領域におけるセンサ１０散乱信号を生成するために実行される。時間領域において、散乱信号は、センサ１０の長さに沿った遅延に応じて散乱イベントの振幅を示す（ステップＳ８）。光が与えられた時間の増分で進む距離を使用して、この遅延は、センサ１０に沿った長さの基準の信号に変換される。言い換えると、この信号は、センサ１０に沿った距離に応じて各散乱イベントを示す。サンプリング周期は、空間分解能と称され、波長可変光源が測定中に掃引された周波数範囲に反比例する。
【００２４】
検知ファイバ１０がひずむとき、局所的な散乱が、ファイバの物理的な長さの変化するにつれて移動する。これらのひずみは、高度な再現性があることが示されることができる。したがって、ひずみの無い状態のファイバの参照パターンとして機能を果たすＯＦＤＲ測定値がメモリに保持されることができる。その後の測定値が、検知ファイバの長さに沿った局所的な散乱の遅延の移動の測定値を得るために、この参照パターンと比較されることができる。この遅延の移動は、参照散乱パターンに対して比較されるとき、連続的な、ゆっくり変化する光位相信号として現れる。この光位相信号の微分は、検知コアの物理的な長さにおける変化に正比例する。物理的な長さにおける変化は、検知ファイバ１０に沿った歪の連続的な測定値を生成するひずみにスケール変更される。
【００２５】
上で詳述されたように、ＯＦＤＲ測定中、参照経路と測定経路との間の光干渉が、レーザが光周波数の範囲にわたって掃引されるとき、記録される。システムの光検出器において結果として生じる干渉パターンは、検知ファイバから反射される光の振幅及び位相に関する情報を含む。光の位相及び振幅は、レーザ掃引を通して時間に応じて記録される。システムの基本的な仮定は、検知ファイバ１０を含む、インテロゲーション下の干渉計システムが、掃引中に変化しないこと、及び、光周波数に応じたシステムの位相及び振幅応答が、レーザが掃引されるときに遅れずにエンコードされることである。したがって、レーザ周波数が時間の関数として知られている場合、システムの位相及び振幅応答は、レーザ波長の関数として知られる。
【００２６】
しかし、システムが測定中に静止していない場合、測定値はひずめられる。レーザが時間とともにリニアに掃引されるような単一の反射の応答を例えば検討する。この単一の反射イベントは、検出エレクトロニクスにおいて正弦波干渉縞をもたらす。単一の反射器からの干渉信号のフーリエ変換は、光遅延に応じた１つのきれいなピークを与える。図３は、ＯＦＤＲを使用して測定されるときの理想的な１つの反射ピークの理論的な振幅と光遅延を示す。
【００２７】
遅延における反射の位置は、スペクトル領域における位相勾配の大きさに比例する。さらに、定義によれば、時間領域における単一のイベントからの理想的な反射は、スペクトル領域において線形位相勾配を有する。例として、スペクトル領域の位相が、図４に「アンラップされて（ｕｎｗｒａｐｐｅｄ）」プロットされる。アンラップすることは、光がファイバに沿って動くとき、光の位相が増加すると考えることができる。複素平面において、位相が増加するとともに単位円周りに動くとき、１つの回転を作るとともに次に継続する。位相を効果的にアンラップすることは、全光位相変化の基準を得るために、完全な回転の総数を記録することによってこの回転する位相信号を直線化する。
【００２８】
次に、このイベントの反射と干渉計におけるビーム組み換えとの間の光遅延が変化する場合、すなわち、位相が、レーザが掃引されるとき、ある時変変化によってひずめられている場合、を考慮する。図５に示されるように、これは、測定された干渉信号に追加的な位相変調をもたらす。この時間依存位相変調の存在において、干渉信号の結果として生じるフーリエ変換は、図５に示されるようにひずめられる。ピークは、ノイズがピークの基部のまわりに現れた状態で、もはや「きれい」ではない。
【００２９】
図６は、図５に示されるひずんだピークの位相対光周波数をプロットする。このひずんだピークのスペクトル領域の位相は、直線位相から小さい逸脱を示す。直線性からのこれらの逸脱は、検知ファイバの位置が、ＯＦＤＲシステムが測定を実行したとき、不変ではなかったことを示す。スペクトル領域における直線位相応答からのこれらの逸脱、及び理想的なピークの結果として生じるひずみは、分散ひずみ測定にとって問題である。上述のように、分散ＯＦＤＲひずみ測定は、例えば、相互相関を実行することによって、検知ファイバのベースライン参照スキャンと比較される。センサの動きの結果としての測定値のひずみは、この比較の精度を大幅に減少させる。本発明者は、この問題を認識し、ＯＦＤＲ測定の精度を向上させるために、測定値から動きの影響を補償する技術を開発した。
【００３０】
解決への出発点として、発明者は、ＯＦＤＲ測定の基本的な性質がＯＦＤＲ測定値からの動きの影響の効率的かつ効果的な除去を可能にすることを認識した。ＯＦＤＲ取得中、遅延領域における理想的な、１つの反射イベントからのスペクトル領域の位相応答の大きさは、そのイベントの遅延に比例する。したがって、位相変調が、センサの長さに沿って付加的でなければならない。言い換えると、ファイバの任意のポイントで見られる位相変調は、関心ポイントより前のファイバの全ての位相変調の和である。これは、光ファイバの任意の１つのポイントにおける位相変調を測定することが、ファイバの残りの部分に沿ったこれらの変調を補正する能力を提供することを意味する。
【００３１】
図７は、ポイントＡで測定された補正値が、測定ポイントＡとＯＦＤＲ器具との間の外乱に対して全ての後続のポイントを補正することができることを示す図である。言い換えると、検知ファイバ１０のポイントＡにおける動きを測定することによって、ポイントＡと器具との間の動きの全ての影響は、センサ１０の残りの長さに対して補正され得る。したがって、ポイントＢでの測定値は、ポイントＡより前の動きのひずみによってもはや影響されない。この概念はさらに、ポイントＡより前の時間変化するひずみに起因する遅延領域におけるポイントＡ及びポイントＢでの反射のひずみを観察することによって、図８に示される。ピークはいずれも、光周波数領域のある時間変化する位相によってひずんでいる。
【００３２】
インデックス５０に又はインデックス５０の周りに１つの反射のみがあることが知られている場合、この反射に関連付けられる複素数データセット、すなわち、０から１００へのポイントは、この反射の原因となって生じた振動（位相変調）を特徴付けるために使用され得る。データセットからこれらの振動の影響を除去することは、ファイバ１０に沿ったポイントＡ及びポイントＢでの反射イベントの両方で観察されるこのひずみを除去する。
【００３３】
この場合、第１のピークからの振動情報は、図９のインデックス５０の反射ピークを中心にした矩形窓によって示されるように、そのピークの周りに窓を掛ける（ｗｉｎｄｏｗｉｎｇ）こによって得られる。乗算の後、他のピークからの情報は残らない。これらの最初の１００ポイントに含まれる情報は位相及び振幅情報の両方を含む複素値であることを思い出されたい。窓を掛ける演算後の対応する振幅データは、図１０に描かれ、窓は、２つの反射から取得されたデータと掛け合わされ、第１の反射ピークのみからの複素数データセットをもたらす。この窓を掛けられたデータセットは、スペクトル領域における位相ひずみを抽出するためにフーリエ変換される。この位相の歪みは、ポイントＡにおける、オリジナルの理想的な、単一の反射からの位相応答と関連付けられる非線形性を表し、図１１に描かれる。
【００３４】
この位相ひずみは、次に、遅延領域の両方の位置のきれいなピークを回復するために取得されたデータセット全体に対してこの位相ひずみを測定された位相から減算することによって取得されたデータ全体に適用され得る位相ひずみ補正として使用される。これは図１２に示され、灰色線は、遅れ領域のオリジナルの歪められた反射ピークを示し、黒線は、データが、インデックス５０でのピークから計算された位相補正を使用して補正された後のピークを示す。両方のピークはここではシャープである。
【００３５】
動き及びデータのその後の補正の結果として、時変信号を抽出するための非限定的な例示の手順を概説するフローチャートが図１３に示される。ステップＳ１０で開始し、窓を掛ける演算が、例えば、データセットの始まりの、反射イベント周りで、時間遅延領域の複素数値ＯＦＤＲデータセットに実行される。逆フーリエ変換が、データセットを周波数領域に変換するために適用される（ステップＳ１２）。スペクトル領域の位相応答が、位相信号をアンラップすることによって抽出される（ステップＳ１４）。全体の蓄積位相は、遅延領域における反射イベントの位置に比例する。遅延領域における遅延の各インデックスは、スペクトル領域における２π位相変化を蓄積する、例えば、インデックス５００における反射イベントは、アンラップ後、１０００πのスペクトル領域における全蓄積位相応答を有する。この蓄積位相応答から直線近似を減算することは、センサの動きを表す非線形時変信号の基準を提供する遅延領域における反射イベントの位置と関連付けられる位相を取り除く（ステップＳ１６）。非線形時変信号は、補償信号であり、これは、例えば、スペクトル領域においてオリジナルの測定ＯＦＤＲデータセットの位相から減算される（ステップＳ１８）。動き補償されたスペクトル応答は次にフーリエ変換演算を使用して時間遅延領域に変換され（ステップS２０）、このフーリエ変換演算は反射のきれいなスペクトルのピークを識別及び／又は表示するために使用され得る。
【００３６】
この例示のプロセスは、検知ファイバ１０のあるポイントまで時変信号を抽出すること、そして次にこの信号をセンサ１０の長さに沿って生成されたデータを補償するために使用することによって、ＯＦＤＲ測定値の動きの影響を除去する又は少なくとも実質的に減らす。この技術は、センサファイバ１０の長さに沿った１又は複数の動きを補償するとともに、様々なＯＦＤＲ応用において配置されたセンサへの広範囲の環境に対するロバスト性を確保する。
追加的な非限定的な例示の実施形態が次に記載される。
【００３７】
ＯＦＤＲ検知応用における一般的なファイバは、レイリー散乱特性を有する、業界標準の、低曲げ損失ファイバである。与えられた長さのセンサファイバのレイリー散乱特性は、ランダムなブロードバンド信号として現れ、ファイバ自体のガラス分子を離れて散乱する光から生じる。この散乱パターンは、再現性が高く、与えられたセンサの物理的な特性とみなされ得る。したがって、この散乱「フィンガープリント」は、ファイバのベースライン又は参照測定値を得るために使用される。
【００３８】
１つの反射イベントの例示の場合では、直線近似が、測定値の動きの影響を捉える非線形成分を分離するためにスペクトル領域の位相応答から除去された。実用的なシステムでは、理想的な１つの反射イベントは典型的には生じず、隣接する反射イベントのスペクトル応答は所望の非線形成分を隠す。これは、ファイバの測定値を同じファイバのベースライン測定値と比較することによって克服されることができる。ファイバの散乱特性は、再現性が高く、スペクトル領域における測定値のセグメントのスペクトル領域におけるベースラインスキャンの対応するセグメントに対する比較は、測定中の動きの影響を分離することを可能にする。言い換えると、測定中に動きが無い場合、スペクトル領域における測定値とベースラインとの比較は、ゼロ値の位相差を生成する。動きが存在する場合、非線形応答が観察される。
【００３９】
３つの問題が克服されなければならない。第１に、レイリー散乱が弱い信号であり、したがって、動きに対する補償はノイズに影響されやすい。本発明者は、動きの補償のロバスト性を増大させるために平均法を開発した。第２に、配置されたセンサは、多くの環境要因に影響されやすい。ロバストな動き補償が、温度変化等、環境の変化が補償の有効性を減少させないことを確実にすべきである。本発明者は、動き抽出領域から軸方向のひずみの影響を除去するための方法を開発した。第３に、配置されたセンサが、検知ファイバの関心領域より前で時間変化する外乱のみを受けるという保証はない。したがって、補償技術は、センサの長さに沿った様々な動きの影響を系統的に除去するために、センサの長さに沿って機能すべきである。
【００４０】
レイリー散乱の低い信号レベルの問題は、ファイバの複数の隣接するセグメントからの散乱に対する平均演算を用いて解決される。典型的な適用では、動きの影響が短い長さの検知ファイバに対して同様であることが仮定されることができる。検知領域において検知ファイバの小さいセグメントを選択することは、隣接するセグメントが同様の時間変化するひずみを観測するという仮定を許容する。最初に、時間変化するスペクトルひずみが各セグメントから抽出される。セグメントに対する測定ＯＦＤＲデータとこのセグメントに対する参照／ベースラインＯＦＤＲデータとの両方をスペクトル領域にフーリエ変換することで、複素数値スペクトルデータが、測定セグメントの動きの結果としての位相ひずみの基準を抽出するために比較されることができる。このプロセスは各隣接するセグメントに対して繰り返され得るとともに、スペクトルのひずみの平均が計算され得る。このようなプロセスの例示のステップが図１４のフローチャートに記載される。
【００４１】
検知ファイバのＯＦＤＲスキャンが、ファイバの複数のセグメントのそれぞれに対してＯＦＤＲ参照データを生成するために（ステップＳ３４）、ベースライン環境（例えば、動きが無く、温度制御される等、ファイバに影響する）において（ステップＳ３３）、及びファイバの複数のセグメントのそれぞれに対してＯＦＤＲ測定データを生成するために（ステップＳ３１）、適用ベースライン環境（例えば、動きがあり得る、温度が変化する等、ファイバに影響する）において（ステップＳ３０）、検知ファイバ１０で実行される。セグメントは、例えば、上述の窓を掛ける技法を用いて分割され得る。フーリエ変換演算が、セグメントデータをスペクトル領域に変換するために、それぞれの測定セグメント（ステップＳ３２）及びそれぞれの参照セグメント（ステップＳ３５）に実行される。フーリエ変換を実行する１つの例示的な方法は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用することである。次に、各セグメントに対する測定スペクトルデータは、各対応するセグメントに対する参照スペクトルデータの複素共役と複素乗算される（データは複素数である）（ステップＳ３６）。数学的には、複素数値信号の第２の信号の共役との乗算は、複素信号の位相値における差を計算することに相当する。この位相測定値をひずませるノイズのため、隣接するセグメントを平均することが望まれる。隣接するセグメントを平均するために、隣接するセグメントからの複素数の積の実数及び虚数成分がそれぞれ平均される（ステップＳ３７）。平均位相応答は、平均された複素数の積の実数及び虚数部分のアークタンジェントを計算することによって抽出される。この位相差は、その後、上述のようにアンラップされる。この位相応答は次に、動きの結果としてひずみを補償するために使用されることができる。例として、位相応答は、測定値の大きさに適合させるために直線補間されることができるとともに、動きの影響を除去するためにオリジナルの測定データのスペクトル領域から減算される。
【００４２】
２つの平行なトラックがステップＳ３０−３２及びＳ３３−Ｓ３５に示されているが、これらのステップは、平行に、同じ時間に、又はさらに１対１で、実行される必要はない。例えば、参照スキャンステップＳ３３−Ｓ３５は事前に実行され得るとともに、参照セグメントデータは測定されたセグメントデータとともにその後に使用のためにメモリに記憶され得る。１つの測定スキャンが示されているが、ステップＳ３０−３２及びＳ３６−３９は１又は複数の他の測定スキャンのために繰り返され得ることが理解されるであろう。
【００４３】
図１４に示される動き補償の計算のための処理フローがつぎに数学的に記載される。κｐが一様にひずんだファイバの長さにおける複素散乱測定値の配列であるとし、ここでｐは遅延の配列に沿った位置を示す。一組の部分配列が、κｐの連続するセグメントをスペクトル領域に再び変換することによって生成される。Κｋｎは、測定セグメントｎのスペクトルを表し、ｋはスペクトルインデックス：
【００４４】
【数１】
2018010011.tif 000003
であり、ここでＳはセグメントの多くのポイントの長さである。処理は、参照測定値、ηｐ、
【００４５】
【数２】
2018010011.tif 000004
を使用して繰り返される。
動きの影響を捉える信号は次に、
【００４６】
【数３】
2018010011.tif 000005
によって与えられる。
【００４７】
上述の例が次に合成されたデータを使用して記載される。任意の散乱パターンが、シミュレートされた散乱振幅対遅延をプロットする図１５に示されるように生成される。次に、図１６は、散乱データに加えられることになる例示の位相ひずみ（周波数成分において低い動き誤差）を示す。この位相ひずみは、最初に複素散乱データをスペクトル領域に変換し、次に、変換された散乱データと、その偏角及び１つの振幅として位相外乱を有する複素配列を掛け合わせることによって、散乱データのスペクトルに加えられる。結果として生じる散乱パターンは、図１７に見られるようにかなり変えられる。黒い線はオリジナルの散乱振幅対遅延を示し、グレーの線は周波数領域においてひずみを与えられた後の散乱振幅を示す。
【００４８】
動きの影響を抽出するために、３２ポイントの８セグメント、又は合計２５６ポイントが、遅延領域からスペクトル領域に変換される。このセグメント化及び変換は、測定データセットの代わりになる変えられたデータ及び参照データセットの両方に実行される。図１８は、図示された散乱パターンの１つの遅延領域セグメントから計算されたスペクトル位相ひずみをプロットする。グレーの点は、このセグメントに加えられた位相ひずみを表す。黒い点は、ひずめられたセグメントデータと参照データを比較して計算された位相ひずみを表す。計算された位相ひずみが加えられた位相ひずみと適合しない周波数を見ることができる。例えば、インデックス４に対する位相ひずみは著しい。
【００４９】
しかし、相対複素スペクトルが平均されるとき、各個別の位相値の影響は、その位置における振幅のサイズによって、効果的に重み付けされ得る。図１９は、加えられた位相ひずみ（グレー）と比較した、スペクトル領域において各セグメントから相対複素データを平均することによって計算された（黒）位相ひずみ対周波数をプロットする。平均することは、図１８を図１９と比較することによってわかるように、より正確な位相の測定値を提供する。
【００５０】
隣接するセグメントに対して平均することは、測定データに存在するファイバの動きによって生じる誤差信号の良好な推定を提供する。次のステップは、測定データを補償するためにこの位相の逆を全散乱測定データに適用し、次に補償された測定散乱データを再び遅延領域に逆変換する。これを行う前に、解析されるセグメントの長さではなくオリジナルの測定データセットと同じサイズ（この場合２０４８ポイントのサイズ）を有する信号が生成される。これは、例えば、フーリエ補間を使用して測定値のサイズを適合させるために計算された誤差信号を数学的に補間することによって、実行されることができる。フーリエ補間は、与えられた配列サイズの信号を所望の配列サイズに補間する標準的な数学的手段である。簡潔には、フーリエ補間は、実数値信号のフーリエ変換を最初に取ることによって実行される。変換領域において、データは、配列が所望の保管された配列サイズの大きさになるまで、データ配列の中央にゼロを置くことによって詰められるゼロである。逆フーリエ変換が次にゼロを詰められたデータに実行される。この複素信号の実数成分は、オリジナルの実数値信号のスケール変更された補間である。この信号の振幅は次に、補間配列サイズとオリジナルの実数値配列のサイズの比によってスケール変更される。
【００５１】
いったん位相推定値を補間すると、それは、元来加えられた位相外乱と比較されることができ、細い黒い線の位相推定値とともに図２０にグレーで示される。グレーはオリジナルの加えられた位相外乱である。２つは比較的良く適合する。
【００５２】
この補間された位相推定値を散乱スペクトルに適用すること及び距離に応じて散乱を再計算することはオリジナルの信号を回復させる。これは図２１に示され、黒い線は、生成されたオリジナルの散乱パターンの振幅であり、グレーは、上述のように計算された補正された散乱パターンの振幅である。
【００５３】
上述の例示の合成されたデータの実施形態は、動き補償領域を超えた検知ファイバにおけるひずみを検出するためにその後使用されたＯＦＤＲシステムで実施された。図２２は、ファイバ導線に加えられる４つの異なる振動に対して上述のように計算された位相ひずみ対光周波数をプロットする。最初の３つは１００、２００、及び３００Ｈｚでスピーカによって生成された。４番目では、導線は、代表的な環境外乱を発生させるために電動ファンの上にもたれかけられた。最初の３つでは、増加する振動周波数が明らかに区別できる。これらの振動が補償されない場合、ひずみの決定は、図２３でグレーの線によって示されるように、正確ではない。しかし、位相ひずみ補正が加えられた状態では、図２３において黒い線によって示されるように、誤差は生じない。図２３の線は、位相ひずみ補正有り及びなしの３００Ｈｚ振動でとられたひずみデータを含む。
【００５４】
図２４は、電動ファンの上にもたれかけられた導線を持つ検知ファイバに沿って計算されたひずみをプロットする。センサへのこの外乱はより厳しいのだが（多くの失敗したひずみ計算を伴う補正されてないグレーのデータを参照）、補正は、黒い線で示されるように、依然として効果的である。
【００５５】
本技術の他の態様はロバスト性に関連する。本発明者は、異なる環境でうまく働くように上述の位相ひずみ補償のための方法を開発した。振動計算のために使用される光ファイバの長さに存在するひずみがある場合、影響は、スペクトル領域におけるセグメントの間の位相差の蓄積である。この位相差は、スペクトル領域での応答を変更し、動きの影響を捉える平均された反応を抽出することを困難にする。この場合、本発明者は、スペクトル領域においてセグメントを「整列させる」ことが望ましいことを決定した。
【００５６】
ひずみが存在しない状態で、複素セグメントはそれぞれ参照データセットに対して同じ位相を有したので、上述の例示の合成されたデータの実施形態は、複素セグメントを一緒に加えることを許容した。スペクトル領域におけるセグメント間の位相変化の推定は、最初に各セグメントに以前のセグメントの共役を掛けることによって計算され得る。これは、平均級数における各セグメントの間の位相応答の比較であり、ファイバのベースラインスキャンに参照されないことに留意されたい。したがって、各測定セグメントが次のセグメントと同様であるので、振動による任意のひずみは、最小化される。１０セグメントがある場合、９の積セグメントがある。積の要素のそれぞれの位相は、セグメント間の位相における平均変化であり、これはひずみの測定値である。全ての要素が同じ位相（プラス多少のノイズ）を含むので、要素の全てが合計され得るとともに、この複素数の合計の位相はセグメント間の平均位相増分である。したがって、長さにおいて３２の要素である１０セグメントの例では、２８８の複素数が、セグメント間の平均位相増分を得るために合計される。
【００５７】
κｐが一様にひずんだファイバの長さにおける複素散乱測定値の配列であるオリジナルの解析に戻ると、一組の部分配列がκｐの連続するセグメントをスペクトル領域（ｋ）
【００５８】
【数４】
2018010011.tif 000006
に再び変換することによって生成され、ここでＳはセグメントの多くのポイントの長さである。処理は、参照測定値、ηｐ、
【００５９】
【数５】
2018010011.tif 000007
を使用して繰り返される。
【００６０】
連続するセグメント間の平均位相差、δ、が計算されここで、
【００６１】
【数６】
2018010011.tif 000008
。
【００６２】
補正が次に、各セグメントに線形に増加する位相シフトを適用することによって振動の計算に加えられ得る。
【００６３】
【数７】
2018010011.tif 000009
代替的には、ひずみは、スペクトルセグメントの計算より前にオリジナルの複素配列に加えられることができる。
【００６４】
【数８】
2018010011.tif 000010
これは、スペクトル計算より前に任意のかなりのスペクトルシフトを変換データに有利に導入する。振動は、この場合、変更された参照を使用して前のように計算される。
【００６５】
【数９】
2018010011.tif 000011
この概念を説明するために、シミュレートされたレイリー散乱データに演算される以前の例を検討する。図２５は、ファイバのひずみのない長さに対する波長に応じた複数のセグメントに対して計算される位相ひずみをプロットする。ゼロひずみの状況下でセグメントのそれぞれに対して計算される位相差は、位相カーブの密なグルーピングを提供し、複素数は、全てのポイントにおいて平均位相を得るために直接平均され得る。言い換えると、動きにさらされるひずみのないファイバに対して複素数値を平均することは、オリジナルの位相誤差の良好な表現を生成する。ここで、ひずみは、オリジナルの散乱データに線形位相項を加えることによってオリジナルの計算モデルに加えられる。
【００６６】
図２６は、グレーで示される元々加えられた位相ひずみに対して黒で示されたデータを平均することによって計算された位相ひずみをプロットする。ひずみをファイバに導入した後、セグメントのスペクトル応答はもはや、ファイバのひずんだ長さに対する波長に応じた複数のセグメントに対して計算された位相ひずみをプロットする図２７に示されるように、密に束ねられない。言い換えると、各周波数での位相応答は、各セグメントに対してもはや適合しないので、ポイントの集団があまりに多くのバリエーションを有するとき、単純な平均はもはや振動信号を回復するために機能しない。結果として、この信号は、図２６に観察される位相ひずみまで平均しない。したがって、ひずみに対する補正がある必要がある。
【００６７】
センサに与えらえるひずみは、ＯＦＤＲ測定におけるベースラインスキャンと比べられるとき、スペクトル領域におけるシフトとして及び時間領域における位相勾配の変化としても、現れる。スペクトル領域での測定セグメントの間の平均位相差からひすみ補正値を生成することは、時間領域において与えられる位相勾配の基準を与える。ひずみのこの基準を用いて、逆の位相勾配が、各セグメントは加えられたひずみに対して補正されている図２８に見られるように、スペクトル領域においてセグメントの応答を再調整するために、時間領域のセグメントに渡って加えられる。データは再び適合する。
【００６８】
動き補償信号を抽出するためにセグメントに渡る一様な軸方向のひずみを除去又は少なくとも減らす例示的な手順が図２９のフローチャートに概説される。一連のファイバ測定セグメントのそれぞれに対する時間領域におけるＯＦＤＲ測定データが定められる（ステップＳ４０）。各セグメントデータセットがスペクトル領域にフーリエ変換される（ステップＳ４１）。測定セグメントデータセットと隣接する測定セグメントデータセットの複素共役のスペクトル領域の積が計算される（ステップＳ４２）。複素数比較の偏角が、複素数の虚数値及び実数値の比のアークタンジェントとして定められる。結果として生じる偏角は次に、その対のセグメントに対する平均位相増分を生成するために、セグメント内のポイントの数に渡って平均される（ステップＳ４３）。一対のセグメントの間の位相の平均変化は、位相増分と称される。比較された測定セグメントの各対に渡る結果として生じる位相増分が平均される（ステップＳ４４）。平均された位相増分は、オリジナルの測定セグメントに渡る一様な軸方向ひずみに正比例し、平均位相増分はひずみの基準にスケール変更される（ステップＳ４５）。このひずみ値は、スペクトル領域に置いてセグメントを整列するために時間領域において加えられることになる位相補正の勾配を定める。補正が、生成された複素数補正を持つデータに測定されたひずみに基づく位相勾配及びその振幅を掛けることによって、時間領域に加えられる（ステップＳ４６）。
【００６９】
ひずんだ測定値の結果としての例示の光位相応答が図３０に示され、この図は、遅延領域におけるファイバの長さの測定と参照との間で抽出される光位相応答の勾配が勾配を有することを示す。図２９の方法を用いて、この勾配の基準が、スペクトル領域における測定セグメント間の差を比較することによって抽出される。測定値からひずみを除去するために、勾配が反対の位相応答が、測定長さにわたって与えられる。参照値及び測定値が、時間領域におけるそれらの積の偏角を抽出することによって比較される場合、ゼロ勾配光遅延応答が観察される。図３１は、参照値と補正された測定値との間の複素数乗算の偏角から抽出される光遅延応答を示す。時間領域におけるひずみにたいするこの補償の後、スペクトル領域における応答は、概して揃えられ、動きに起因するひずみのより正確な基準を得るために平均されることができる。
【００７０】
ファイバの長さがその位置までのセンサが受ける動きの結果としてのスペクトルひずみを抽出するために選択されることができることを示している。この計算は、ファイバの長さをより小さいセグメントに分割することによって及びこれらのセグメントにわたるスペクトルひずみを平均することによって、よりロバストにし得る。ファイバに一様な軸方向のひずみが存在する場合、このひずみは、スペクトル領域において測定セグメントの応答を比較することによって測定されることができるとともに除去されることができる。本技術の他の態様は、広範囲の用途にわたってロバスト性を確実にすることに関する。
【００７１】
ここまで、参照セグメント及び測定セグメントが空間的な遅延において揃えられることが仮定されている。軸方向のひずみが、動きのひずみが測定されることが望まれる位置に通じるセンサに存在する場合、測定されたセンサは、長さの全体的な変化を有し得る。結果として、あるメカニズムが、ファイバの物理的なセグメントに対するＯＦＤＲ測定データが、同じ物理的なセグメントに対するＯＦＤＲ参照又はベースラインデータと比較されることを確実にするために必要とされる。測定及び参照セグメントがスペクトル応答の抽出の間の物理的な距離においてどれくらい位置がずれるかを示すデータからの信号が、抽出されることができることが示される。物理的な距離の位置合わせのこの基準を用いて、セグメントデータセットは、動きの結果としてのスペクトル位相ひずみの正確な測定値が決定され得るように、再調整され得る。
【００７２】
この問題から一歩離れて、本発明者は、軸方向ひずみと振動両方の影響が検知ファイバの長さに沿って蓄積することを観察した。しかし、広範囲の用途では、振動の蓄積の割合及び軸方向ひずみの変化の両方が、センサの小さい長さに渡ってゆっくり変化している。既に述べたように、ロバスト振動補正は、ある長さのファイバを平均するためにより小さいセグメントにセグメント化すること、これらのセグメントが、ベースライン測定において同じ物理的なセグメントと時間的に揃えられることを確実にすること、及びセグメントにわたって存在するひずみを除去することを含む。軸方向のひずみと振動の両方はゆっくり変化しているので、時間的な遅延、軸方向ひずみ、及びセンサの長さに沿った振動における小さい変化を測定するとともにこれらの変化を蓄積する、ルーチンがファイバの長さに沿って実行され得る。したがって、アルゴリズムがファイバの長さに沿って進むとき、ある種のフィードバックループが確立される。
【００７３】
フーリエ変換の特性が、参照と測定セグメントとの間の時間的な遅延を測定するために使用され得る。参照値と測定値が遅延領域において揃えられない場合、勾配が、スペクトル領域における位相応答を明らかにする。したがって、参照値と測定値が、スペクトル領域において参照と測定セグメントとの間の積の偏角を抽出することによって、ずれているかを検出することができる。言い換えると、直線性からのスペクトル位相応答の偏差は、動きの結果としてのひずみをとらえ、この位相応答の勾配は、参照と測定セグメントが遅延領域においてどれくらいずれているかの指標である。これは、以下の数学的な解析によって記載される：
時間領域における遅延は、式１、式２、及び式３に示されるように、周波数領域において線形位相項である。
【００７４】
【数１０】
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振動、時間的なずれ、及び検知ファイバの長さにわたるひずみの基準を用いて、検知ファイバの長さに沿って進むフィードバックループが確立されることができる。例示の、コンピュータに実装されるフィードバックアルゴリズムが図３２に描かれ、これは、蓄積された振動、蓄積されたひずみ、及び参照と測定セグメントとの間の遅延の不整合を補正するファイバの長さに沿って実行され得る。最初に、測定長さが選択され、これはスペクトル応答の平均で使用されるセグメントの数と等しい（ステップＡ）。各長さは、そのポイントまで振動（ｖ）に関して補正され、長さにわたって存在するひずみ（ε）は除去され、このセグメントに対する測定データセットは、遅延信号（τ）に基づくベースライン参照におけるファイバの補正セグメントに対する参照データセットと比較される（ステップＢ）。アルゴリズムは、これらのフィードバック信号ｖ、ε、及びτが、ＯＦＤＲシステムの処理の中の初期化の間に全て決定されることを仮定する。測定長さは、フィードバック信号ｖ、ε、及びτを使用して補正される（ステップＣ）。前に記載されたように、振動（ｖ）は、センサのその位置までの動きの結果としてのひずみに基づく測定値のスペクトル領域に位相補正を適用することによって除去されることができる。測定長さにわたるひずみ（ε）は、ひずみに比例する時間領域におけるデータにわたって位相勾配を適用することによって除去される。物理的な距離におけるずれ、又は遅延（τ）は、ずれのこの基準にしたがってベースラインデータをインデキシングすることによって説明される。いったん補正されると、測定長さは、上述の例示的技法を用いて動きの影響のロバストな基準を提供するスペクトル位相応答を平均するために、より小さいセグメント測定データセットに分割される（ステップＤ）。より小さいセグメントは、動き（Δｖ）の結果としてのひずみの変化、セグメントにわたるひずみ（Δε）の変化、参照と測定の間の遅延不整合（Δτ）の測定を可能にする（ステップＥ）。これらの変化Δｖ、Δε、及びΔτは、新しいセットの値ｖ’、ε’、及びτ’を生成するために、以前の値ｖ、ε、及びτに蓄積される（ステップＦ）。信号がセンサの長さに沿ってゆっくり変化することを仮定すると、これらの蓄積された値ｖ’、ε’、及びτ’は、次の測定長さ（Ｇ）を補正するために必要とされる必要な信号の良好な近似値である。処理は、検知ファイバの長さに沿って繰り返し動き、ファイバに沿ったひずみの変化、動きの結果としての蓄積されたひずみの変化、及び蓄積された遅延をゆっくり除去するとともに監視する。
【００７５】
ＯＦＤＲは、高分解能分散ひずみ測定を実行するための有益な技術である。多くの用途において、測定システムから離れて測定を実行することが望まれる。極限環境のいくつかの状況では、器具は検知ファイバの近くに配置できない。例として、検知ファイバが極低温チャンバに配置されるとき、器具は、検知ファイバの近くで操作されることができない。パッチコード等、ある長さのファイバは、測定とファイバの検知領域との間に配置されなければならない。測定システムとファイバの検知領域との間のファイバの長さは、機械的及び音響的な外乱両方を受けるアンテナとして事実上機能する。これらの外乱は、ファイバの検知領域の測定値をひずませ、ＯＦＤＲ測定の有効性を大幅に減少させる。上述の補償技術は、測定が、検知ファイバによって受信される外乱を除去するために使用されることができる検知領域の初めで実行されることを可能にする。結果として、ＯＦＤＲ測定技術は、広範囲の用途及び環境により効果的に展開される。
【００７６】
種々の実施形態が示され、詳細に記述されたが、特許請求の範囲は、いずれの特定の実施形態または例に限定されるものではない。上記の記述は、いずれの特定の要素、ステップ、範囲、または機能も、それが特許請求の範囲に含まれなければならないように必須であることを意味すると読まれるべきではない。特許されるべき主題の範囲は、特許請求の範囲によってのみ定められる。法的保護の範囲は、許可された特許請求の範囲及びそれらの均等物の中に記載された文言によって定められる。当業者に知られている、上述の好適な実施形態の部材に対する全ての構造的及び機能的均等物は、参照により本明細書に明示的に組み込まれ、本特許請求の範囲に包含されることが意図される。さらに、デバイス又は方法は、記載された本技術によって解決しようとしているそれぞれ及び全ての課題に対して対処する必要はなく、本特許請求の範囲によって包含されるべきものである。どの請求項も、「のための手段」又は「のためのステップ」という用語が用いられていない限り、３５ＵＳＣセクション１１２の第６パラグラフを行使しようとするものではない。さらに、本明細書における、いずれの実施形態、特徴、要素、又はステップも、その実施形態、特徴、要素、又はステップが特許請求の範囲の中に記載されているか否かに拘わらず、公衆に解放されることを意図するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【外国語明細書】
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