[发明专利]校准光学FMCW反向散射测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及测量系统领域，诸如光学测量系统，例如用于借助传 感器例如光学传感器测量空间分布的物理特性的系统。

本发明具体涉及一种校准FMCW反向散射测量系统诸如光学 FMCW反向散射测量系统的方法，该系统包括激励和估算部分以及 纵向延伸的传感器，传感器具有第一和第二端，激励和估算部分适 于将调制频率为f_m的调频光信号激励到传感器的第一端，并估算从 传感器的第一端接收的传感器信号，传感器适于基于从中可提取传 感器沿其长度在第一和第二端之间的空间分布测量点的物理参数的 调频光信号来捕获数据信号。

本发明还涉及反向散射测量系统，诸如光学FMCW反向散射测 量系统，并涉及计算机可读介质。

本发明例如可在以下应用中有用：诸如测量例如沿公路、在隧道 中、在管道或电缆中、在工业设备中的大型装备中的空间分布的物 理参数如温度、湿度、力等。

背景技术

以下对现有技术的说明关于本发明的应用领域之一，即基于光学 喇曼反向散射的分布温度测量。但本发明也可应用于不是基于光学 反向散射的其它测量系统。本发明与之相关的现有技术FMCW反向 散射系统的实例在EP-1 548 416中作了说明。

光学反向散射系统例如可包括：已调制激光源；传感器，用于捕 获物理量(如温度、力、湿度等)的空间分布测量，形式为光波导例如 光纤；混频、滤光和接收元件(包含光电转换器)；信号处理和计算单 元，用于变换和估算反向散射的信号，并用于确定所讨论的物理量 的空间分布图。

光学反向散射系统的典型问题是提供测量系统(包含传感器)的明 确校准。用于测量分布的温度分布图的现有技术FMCW(调频连续波) 系统，例如在EP-0 692 705中所述的光学频域反射测定系统，必须 人工校准，即：使传感器(如光纤)暴露于沿其长度在预定位置的许多 适当定义的热点，其中用已校准的温度传感器测量那些位置的实际 温度，以使实际的分布图已知。

由于复频率数据(即数据包括实部和虚部)的特性，所校正的频率 数据值是含糊不清的。

现有技术系统的其它问题包含由于以下一项或多项引起的测量误 差：

a)DC误差：

a1)FMCW温度方法例如基于对来自光纤的光的喇曼反向散射作 为激光器频率调制(f_m)的函数进行测量。作为光纤长度函数的喇曼光 的反向散射曲线是基于计算光电检测器信号的逆傅里叶变换。这种 逆傅里叶变换算法要求对f_m＝0Hz和最大激光器调制频率之间的反 向散射信号作复测量。逆傅里叶变换的第一频率点(DC值)的测量很 困难，因为这个值与光电检测器信号的典型稳定分量重叠。

a2)DC值不是常数。该值取决于传感器特性(例如用作传感器的 光波导的不同长度或不同规范，参阅图6和7以及相应说明)。

b)由于组件的容差和非线性性质引起的误差

FMCW喇曼技术要求在宽频带上(f_m可例如在从0Hz到100MHz 的范围内)对非常弱的喇曼反向散射光信号(低至微微瓦的范围)作为 调频激光的函数进行光纤测量。激光的强度平均是恒定的。由于弱 检测器信号，光学组件(激光器、光电检测器、滤光器等)和电子组件 (放大器、混频器、滤波器等)的容差对反向散射质量和所得到的温度 曲线均具有可察觉的影响。同样，光学和电子组件的非线性性质在 频率数据中产生失真。结果是沿温度分布图的非线性失真降低了温 度测量系统的精确性。

c)由于不同测量通道之间的串扰引起的误差

不同测量通道之间的串扰可在温度分布图中引起形式为随机噪声 和非线性干扰的附加误差(参阅例如图10和相应的说明)。

d)由于老化效应引起的误差

由于弱喇曼检测器信号以及频率信号和温度分布图之间的上述 FMCW测量相关性，光学和电子组件上的老化效应对测量装置的质 量和稳定性也有影响。

e)由传感器线路改变而引起的误差