DE60128099T2

DE60128099T2 - Algorithmus zur auswahl einer detektionsmaske mit polarisationsdiversität

Info

Publication number: DE60128099T2
Application number: DE60128099T
Authority: DE
Inventors: William Christopher West Hills KNAACK; Gregory Alan Thousand Oaks GIBBONS
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 2000-07-24
Filing date: 2001-07-24
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: NO20030358D0; DE60128099D1; CA2415863C; NO20030358L; US6989903B2; CA2415863A1; US20040068384A1; EP1303931B1; WO2002087118A1; EP1303931A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Empfänger für optische Signale. Diese Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Minimieren des Schwunds eines Polarisierungssignals in einem optischen Empfänger, der in einem faseroptischen interferometrischen Sensorsystem enthalten ist. Noch spezieller betrifft diese Erfindung einen Maskenauswahlalgorithmus für einen Dreizellen-Polarisationsdiversitätsdetektor, der die Wahrscheinlichkeit erhöht, das Maskenelement mit dem größten Signal für einen gegebenen Eingang auszuwählen.
Nicht übereinstimmende faseroptische Interferometer werden gewöhnlich als Sensorelemente in faseroptischen Sensoranordnungen zum Messen von Änderungen in einem Parameter wie Flüssigkeitsdruck, Beschleunigung, Magnetfeldintensität usw. verwendet. Derartige Sensorelemente messen die zeitvariante Phasenverzögerung zwischen optischen Signalen, die sich über getrennte optische Wege mit ungleicher Weglänge fortgepflanzt haben.
Mischen zwischen einem Referenzsignal und einem Datensignal ist oft erforderlich, um Informationen von einem optischen Träger zu extrahieren. Beim interferometrischen Messen erfolgt das Mischen gewöhnlich zwischen einem Referenzsignal und einem Signal, dessen Phase durch den Parameter, der gemessen wird, modifiziert oder moduliert wurde.
Gewöhnlich wird Modulation verwendet, um Informationen von einer Informationsquelle wie einem Sensorsystem, wo Informationen erfasst werden, zu einem Informationsziel wie einem Empfänger, wo erfasste Signale empfangen und verarbeitet werden, zu übertragen. Nach konventionellen Modulationstechniken moduliert ein interessierendes Signal, das von einem Sensor erfasst wurde, eine oder mehr Charakteristiken des Trägersignals wie Amplitude, Frequenz oder Phase, um ein moduliertes Trägersignal zu bilden. Das modulierte Trägersignal wird dann einfacher über die entsprechenden Kommunikationskanäle zum Ziel oder Empfängersystem übertragen, wo das modulierte Trägersignal dann demoduliert wird, um das interessierende Signal zurückzuerlangen und die Information zu bestimmen.
Die faseroptischen Sensoren erfassen oder detektieren Signale, die die Ausgangsphase des Sensorsystems oder Interferometers modulieren. Der modulierte Träger kann dann zu einem Empfängersystem übertragen und fotodetektiert werden. In einem System, das eine Anordnung von Sensoren aufweist, werden die Signale oft unter Verwendung von beispielsweise Zeitmultiplexing (TDM) und/oder Wellenlängenmultiplexing (WDM) sowie Frequenzmultiplexing (FDM) gemultiplext.
Faseroptische Sensorsysteme erfassen in dem Demodulationsprozess eine Signalkomponente, die proportional zum Sinus der Sensorphasenverschiebung ist, und eine weitere Signalkomponente, die proportional zum Kosinus der Sensorphasenverschiebung ist. Der Sinus der Sensorphasenverschiebung wird als der quadratische Term, Q, bezeichnet, und der Kosinus der Sensorphasenverschiebung wird als der phasengleiche Term, I, bezeichnet. Der Winkel der Phasenverschiebung wird durch Berechnung des Verhältnisses I/Q ermittelt, das der Arkustangens der Sensorphasenverschiebung ist. Die Amplitude des Sinus- und Kosinusterms müssen durch ein Normalisierungsverfahren gleich gesetzt werden, um die genaue Implementierung einer Arkustangensroutine zur Bestimmung der Sensorphasenverschiebung zu gewährleisten.
Eine Art von Modulationstechnik, die in interferometrischen und anderen Sensorsystemen implementiert ist, beinhaltet die Verwendung von phasengenerierten Trägern. Das zeitvariante Phasensignal (interessierende Signal) von jedem Sensor moduliert die phasengenerierten Träger, um modulierte Träger zu bilden. Sowohl die interessierenden Signale als auch die phasengenerierten Träger können mathematisch als eine Bessel-Reihe von harmonisch verwandten Termen dargestellt werden. Während der Modulation moduliert die Bessel-Reihe der interessierenden Signale die Bessel-Reihe der phasengenerierten Träger. Die Zahl der Terme in der Bessel-Reihe der resultierenden modulierten Träger wird von der Amplitude des gemessenen oder erfassten interessierenden Signals abhängig sein. Die harmonisch verwandten Terme in der Bessel-Reihe der modulierten Träger repräsentieren sowohl das gemessene oder erfasste interessierende Signal als auch das Trägersignal.
Typische faseroptische Sensorsysteme, die phasengenerierte Träger verwenden, um ein erfasstes oder gemessenes Signal (interessierendes Signal) zu einem Empfängersystem zu übertragen, haben ein Paar von Quadraturträgern mit Frequenzen von entweder ω_c und 2ω_c oder 2ω_c und 3ω_c verwendet, wobei ω_c die phasengenerierte Trägerfrequenz ist. In gemultiplexten Sensorsystemen muss die Sensorabtastfrequenz f_s ausgewählt werden, um zu gewährleisten, dass Frequenzen größer als f_s/2 nicht in das interessierende Band unter f_s/2 rückgespiegelt werden.
In einigen Systemen ist der optische Signaleingang zum Interferometer ein phasengenerierter Träger, der durch Generierung von zeitabhängigen Variationen in der Frequenz des optischen Signalausgangs durch einen Laser erzeugt wurde. Ein phasengenerierter Träger kann durch verschiedene Techniken erzeugt werden. Eine Technik beinhaltet Führung des Ausgangs der Laserquelle durch einen externen Phasenmodulator und Anlegen einer Sequenz von getrennten und eindeutigen linearen Sägezahnspannungen an den linearen Phasenmodulator, um stufige Änderungen in der optischen Frequenz zu erzeugen.
Eine andere Technik zur Erzeugung eines phasengenerierten Trägers verwendet sinusförmige Phasenmodulation des Quellensignals. Anstatt Signale abzutasten, die mit getrennten optischen Frequenzen assoziiert sind, ist die Abtastung von Signalen mit Integration über Abschnitten einer Periode des phasengenerierten Trägers assoziiert.
Eine weitere Technik zur Erzeugung eines phasengenerierten Trägers beinhaltet die Verwendung eines Direktdigitalsynthesizers (DDS), der einen numerisch gesteuerten Oszillator (NCO) enthält. Insbesondere erzeugen Träger, die gegenüber der NCO-Phase um 180° phasenverschoben sind, Sensorreaktionen mit entgegengesetztem Vorzeichen nach der Demodulation, anders als diejenigen, die von Trägern erzeugt werden, die mit der NCO-Phase in dem DDS phasengleich sind. Bei kohärenter Kombination werden Sensorreaktionen mit entgegengesetzten Vorzeichen destruktiv kombiniert, was in einer Dämpfung des kombinierten Ausgangs und einer Reduktion des gesamten dynamischen Bereichs des Systems resultiert.
Ein beträchtliches Problem in Systemen, die den Empfang von optischen Signalen von einer Lichtleitfaser anwenden, ist Signalschwund, der durch Änderungen in der Polarisation der optischen Signale, die durch die Lichtleitfaser übertragen werden, verursacht wird. Insbesondere können Phaseninformationen von zwei oder mehr optischen Signalen, die sich durch eine faseroptische Übertragungsleitung fortpflanzen, am Empfänger verloren gehen, wenn die Polarisationen von zwei interessierenden Signalen gekreuzt sind, was in keinem Detektorschwebungston resultiert. Es ist daher erforderlich, einen Mechanismus zur Bearbeitung des Signals vorzusehen, der einen ausreichend großen Detektorschwebungston für Signalverarbeitung in allen Fällen von Polarisationsausrichtungen ergibt.
Polarisationsdiversitätsdetektoren werden verwendet, um ein optisches Signal von zufälliger zeitvarianter Polarisation zu erfassen und einen elektrischen Ausgang zu erzeugen, der mit einer ausgewählten Polarisationskomponente in dem optischen Signal korrespondiert. US-Patent Nr. 5852507 , ausgestellt am 22. Dezember 1998 an David B. Hall und übertragen an Litton Systems, Inc., Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung, offenbart einen Dreizellen-Polarisationsdiversitätsdetektor, der mehrere Ausgangssignale von einem auftreffenden Strahl erzeugt, der zwei orthogonale Polarisationskomponenten aufweist.
US-Patent Nr. 5448058 , ausgestellt am 5. September 1995 an Arab-Sadeghabadi und von Bierein und übertragen an Litton Systems, Inc., Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung, offenbart einen Polarisationsdiversitätsdetektor, der eine Anordnung von drei Polarisatoren enthält, deren Polarisationsachsen um ausgewählte Winkel voneinander entfernt angeordnet sind, so dass ein optisches Signal, das auf die Polarisatorenanordnung auftrifft, eine Komponente entlang mindestens einer der Polarisationsachsen hat. Eine Fotodetektoranordnung ist derart angeordnet, dass jeder Fotodetektor Licht von einem ausgewählten einen der Polarisatoren empfängt. Mindestens einer der Fotodetektoren empfängt Polarisationskomponenten, die ein elektrisches Signal bilden, das Interferenzen zwischen den parallelen Polarisationskomponenten anzeigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft einen Maskenauswahlalgorithmus für einen Dreizellen-Polarisationsdiversitätsdetektor, der die Wahrscheinlichkeit erhöht, das Maskenelement mit der größten Wechselstromsignalamplitude für einen gegebenen Eingang auszuwählen. Die Fähigkeit zur Auswahl der Dreizellen-Maske mit dem größten Signal, das für einen gegebenen Eingang vorhanden ist, maximiert die Signal-Rausch-Leistung für das System für diesen bestimmten Eingang.
Nach einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Auswählen einer Zelle aus einer Fotodetektoranordnung bereitgestellt, wie in Anspruch 1 oder Anspruch 7 angeführt. Die Fotodetektoranordnung, die zum Detektieren von optischen Signalen dient, die von einer Vielzahl von Sensoren ausgegeben werden, die angeordnet sind, um Interferenzen zwischen zwei optischen Signalen unbekannter Polarisation anzuzeigen, die auf die Fotodetektoranordnung auftreffen, umfasst die Schritte des Auswählen einer Zelle zum Prüfen und Sammeln einer ausgewählten Zahl von Muster des Signalausgangs für jede ausgewählte Zelle, wobei jedes Muster eine gleichphasige Komponente der Größenordnung I und eine quadratische Komponente der Größenordnung Q hat. Das Verfahren umfasst weiter den Schritt des Berechnen eines Amplitudensummenwerts E = I·I + Q·Q für eine vorbestimmte Zahl von Muster in der ausgewählten Zahl von Muster des Signalausgangs für jede ausgewählte Zelle. Das Verfahren enthält Wiederholen der vorstehenden Schritte für jede zum Prüfen ausgewählte Zelle und Auswählen der Zelle, die den größten Amplitudensummenwert hat.
Das Verfahren kann weiter den Schritt umfassen, den größten Amplitudensummenwert zu prüfen, um zu bestimmen, ob er für Demodulation geeignet ist.
Das Verfahren kann weiter die Schritte umfassen, den größten Amplitudensummenwert mit einer Referenzamplitude A_ref zu vergleichen und die Verstärkung in dem Kanal beizubehalten, der die Zelle mit dem größten Amplitudensummensignal enthält, wenn das größte Amplitudensummensignal nicht kleiner ist als die Referenzamplitude.
Das Verfahren kann weiter die Schritte umfassen, das größte Amplitudensummensignal mit einem ausgewählten minimalen Amplitudenwert A_min zu vergleichen, wenn das größte Amplitudensummensignal kleiner ist als die Referenzamplitude, und eine Verstärkungskorrektur zu berechnen, wenn das größte Amplitudensummensignal kleiner ist als die ausgewählte minimale Amplitude.
Das Verfahren kann weiter den Schritt umfassen, die Verstärkung in dem Kanal, der die Zelle mit dem größten Amplitudensummensignal enthält, auf Null zu setzen, wenn das größte Amplitudensummensignal kleiner ist als die ausgewählte minimale Amplitude.
Ein Verständnis der Aufgaben der vorliegenden Erfindung und ein vollständigeres Verständnis ihrer Struktur und ihres Operationsverfahrens können durch Lesen der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erlangt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine faseroptische Sensoranordnung;
2 zeigt einen Polarisationsdiversitätsdetektor, der in der Sensoranordnung von 1 enthalten sein kann; und
3A und 3B zeigen Ablaufdiagramme eines Maskenauswahlalgorithmus nach der vorliegenden Erfindung zum Auswählen des besten Polarisationsmaske für jeden Kanal in der faseroptischen Sensoranordnung von 1.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft einen Signalverarbeitungsalgorithmus zum Verarbeiten von Signalen, die von einem Sensor ausgegeben werden. 1 zeigt eine faseroptische Mehrkanalarchitektur 10, mit der der Algorithmus nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Als Beispiel zeigt 1 sechs Kanäle 11A–11F. 2 zeigt ein Beispiel eines Polarisationsdiversitätsdetektors 100, der verwendet werden kann, um optische Signale zu erfassen, die von jedem Kanal des faseroptischen Sensorsystems 10 ausgegeben werden. Der Algorithmus nach der vorliegenden Erfindung kann mit anderen Sensorarchitekturen (nicht dargestellt) und mit anderen Polarisationsdiversitätsdetektoren (nicht dargestellt) verwendet werden. Das besondere faseroptische Sensorsystem 10 und der besondere Polarisationsdiversitätsdetektor 100 werden hierin nur offenbart, um Beispiele derartiger Vorrichtungen bereitzustellen, die mit der Erfindung verwendet werden können.
Das faseroptische Sensorsystem 10 wird vollständig in US-Patent Nr. 6728165 offenbart, ausgestellt am 27. April 2004 und übertragen an Litton Systems, Rechtsnachfolger der gegenwärtigen Erfindung. Das faseroptische Sensorsystem 10 wird außerdem vollständig in US-Patent Nr. 6724319 offenbart, ausgestellt am 20. April 2004 und übertragen an Litton Systems, Inc. Das faseroptische Sensorsystem 10 enthält eine Vielzahl von optischen Signalquellen 12–17, die angeordnet sind, um eine Vielzahl von korrespondierenden optischen Speiseleitungen 20–25 vorzusehen. Die optischen Speiseleitungen sind an einer optischen Anschlussschaltung 28 zusammengeschaltet. Die optische Anschlussschaltung 28 ist mit einem Zuführungskabel 30 verbunden, das mit einem Akustikanordnungskabel 32 verbunden ist. Das Akustikanordnungskabel 32 enthält eine Vielzahl von Sensoren, die sich in dieser beispielhaften Ausführungsform auf sechsundneunzig belaufen und mit S1–S96 gekennzeichnet sind. Die optische Anschlussschaltung 28 bietet außerdem eine Verknüpfung zwischen dem Zuführungskabel 30 und einer Vielzahl (z. B. 16) Rücklauffasern 34–49, die angeordnet sind, um optische Signale zu korrespondierenden Dreizellen-Fotodetektoren 50–65 bereitzustellen. Die Ausgänge der Dreizellen-Fotodetektoren 50–65 sind elektrisch mit einem Systemprozessor 68 verbunden.
Die optischen Signalquellen 12–17 enthalten einen jeweiligen Laser 70–75 und einen Phasenmodulator 76–81. Jeder der Laser 70–75 erzeugt ein optisches Signal mit einer verschiedenen optischen Wellenlänge. Die von den Lasern 70–75 erzeugten sechs optischen Signale werden zu jeweiligen Phasenmodulatoren 76–81 geführt. Vorzugsweise sind die Phasenmodulatoren 76–81 jeweils durch eine verschiedene Modulationsfrequenz gekennzeichnet. Folglich erzeugen die optischen Signalquellen 12–17 sechs optische Signale, die jeweils verschiedene optische Wellenlängen aufweisen und jeweils mit einer separaten Modulationsfrequenz moduliert sind.
Die Sensoren S1–S96 können als Michelson-Interferometer (nicht dargestellt) oder Mach-Zehnder-Interferometer (nicht dargestellt) gebildet sein, die Interferenzmuster als Reaktion auf Änderungen in dem Parameter, der von der Sensoranordnung 10 überwacht wird, erzeugen. Der Parameter kann beispielsweise akustischer Druck oder seismische Vibrationen sein. Nach dem Stand der Technik gibt es eine Vielfalt von Beispielen derartiger faseroptischer interferometrischer Sensoren, die zur Überwachung von physikalischen Parametern verwendet werden.
Jeder der Dreizellen-Fotodetektoren 56-65 kann gebildet werden, wie in 2 dargestellt, die ein hocheffizientes Polarisationsdiversitätsdetektorsystem 100 zeigt. Das Polarisationsdiversitätsdetektorsystem 100 wird vollständig in US-Patent Nr. 5852507 offenbart. Das Polarisationsdiversitätsdetektorsystem 100 empfängt ein optisches Signal von einer Einmodenlichtleitfaser 102, die ein optisches Signal von einer geeigneten Quelle (nicht dargestellt), die ein Laser sein kann, überträgt. Die Lichtleitfaser 102 wird in einem Stützrohr oder einer Hülse 104 in einer Weise, die im Fachgebiet gut bekannt ist, starr gehalten. Das optische Signal tritt als ein Strahl aus dem proximalen Ende der Lichtleitfaser 102 aus und tritt in eine Fokussierlinse 106 ein, nachdem es eine optische Lücke 108 durchquert hat. Die Linse 106 ist vorzugsweise eine Gradientendexlinse der Ausführung, die kommerziell von NSG America, Inc., Somerset, N.J. unter der Handelsmarke „SELFOC" erhältlich ist, oder ein Äquivalent. Die Linse 106 fokussiert den optischen Strahl in einer Weise, die nachstehend beschrieben wird. Die Lücke 108 kann aus jedem Material, das für die verwendete optische Wellenlänge transparent ist, bestehen, einschließlich Luft. Vorzugsweise ist die Lücke 108 anpassbar, um zu gewährleisten, dass der optische Strahl mit dem richtigen Divergenzbetrag in die Linse 106 eintritt, um die gewünschte Brennweite der Linse zu erzielen.
Die Linse 106 ist mechanisch und optisch an einen ersten Polarisationsstrahlenteiler 110 gekoppelt. Der erste Strahlenteiler 110 umfasst ein erstes oder Eingangsprisma 112 (an das die Linse 106 gekoppelt ist) und ein zweites oder Ausgangsprisma 114, das an das Eingangsprisma 112 entlang einer beschichteten optischen Grenzfläche 116 gekoppelt ist. Die Prismen 112, 114 sind kommerziell erhältliche Teile aus optischem Qualitätsglas, vorzugsweise von der Ausführung, die unter der Kennzeichnung „BK7" von Schott Glaswerke, Mainz, Deutschland, vertrieben wird, oder ein Äquivalent.
Die Prismen 112 und 114 sind vorzugsweise rechtwinklige Prismen. Die optische Grenzfläche zwischen den Prismen 112 und 114 bildet einen Winkel von 45° in Bezug auf den auftreffenden optischen Strahl I, der von der Linse 106 in den ersten Strahlenteiler 110 eintritt. Die Grenzfläche 116 ist optisch beschichtet, um den auftreffenden Strahl I in zwei Strahlen, die voneinander um 90° getrennt sind, mit verschiedenen Verhältnissen von p-Polarisation und s-Polarisation des optischen Signals zu teilen. Für diese Ausführungsform ist die Beschichtung an der Grenzfläche 116 vorgesehen, um eine fast ideale 100-%ige Transmission der p-polarisierten Komponente des Signals und folglich eine fast ideale 0-%ige Reflexion der p-polarisierten Komponente zu erreichen. Für die s-polarisierte Komponente ist es wünschenswert, ungefähr eine ideale Transmission von 33% und folglich ungefähr eine ideale Reflexion von 67% zu erreichen. Damit enthält der Anteil T des durch die Grenzfläche 116 durchgelassenen optischen Signals ungefähr 100% seiner p-polarisierten Komponente und ungefähr 33% seiner s-polarisierten Komponente. Der Anteil R des an der Grenzfläche 116 reflektierten optischen Signals wird fast nichts seiner p-polarisierten Komponente und ungefähr 67% seiner s-polarisierten Komponente enthalten.
Die spezifische Beschichtung, die erforderlich ist, um die vorher erwähnten Polarisationseigenschaften der durchgelassenen und reflektierten Anteile des auftreffenden Strahls zu erreichen, ist von der Wellenlänge des auftreffenden Strahls abhängig. Wenn beispielsweise eine nominelle Wellenlänge von 1320 nm eingesetzt wird, sollte die Beschichtung eine Schichtung von einer viertel Welle betragen, die drei Lagen von Stickstoffsilicid, jede etwa 221 nm dick, abwechselnd mit zwei Lagen von Siliciumdioxid, jede etwa 330 nm dick, umfassen. Diese Materialien und Abmessungen werden nicht die oben angeführten idealen Transmissions- und Reflexionsverhältnisse erreichen, aber sie werden ausreichend nahe Näherungen erreichen, um brauchbare Ergebnisse zu erzielen. Die Bereitstellung von spezifischen Beschichtungs-Zusammensetzungen und -Dicken, die für andere Wellenlängen von potenziellem Interesse geeignet sind, wird als gut im fachmännischen Können von Durchschnittsfachleuten in den relevanten Fachgebieten liegend angesehen.
Der reflektierte Anteil R des auftreffenden Strahls I wird durch das Eingangsprisma 112 in einem rechten Winkel zu dem durchgelassenen Anteil in einen ersten Fotodetektor A geleitet. Der durchgelassene Anteil T geht durch das Ausgangsprisma 114 in eine uniaxiale Calcitkristallplatte 120, die mechanisch und optisch an das Ausgangsprisma 114 gekoppelt ist, um den durchgelassenen Strahlenanteil T dadurch zu empfangen. Die Calcitkristallplatte 120 funktioniert als ein zweiter Polarisationsstrahlenteiler und stellt eine 45°-Drehung der Polarisations-Eigenzustände des durchgelassenen Strahlenanteils T um seine Fortpflanzungsachse zwischen den beiden Strahlenteilern 110 und 120 bereit.
Die Calcitkristallplatte 120 verbreitet eine lineare Polarisation des durchgelassenen Strahlenanteils T als einen ordentlichen Strahl und die orthogonale Polarisation als einen außerordentlichen Strahl in einem Winkel von etwa 6° zu dem ordentlichen Strahl. Der ordentliche Strahl verlässt die Calcitkristallplatte 120 als ein erster durchgelassener Strahlenanteil T₁, der in einen zweiten Fotodetektor B eintritt, während der außerordentliche Strahl die Calcitkristallplatte 120 als ein zweiter durchgelassener Strahlenanteil T₂ verlässt, der in einen dritten Fotodetektor C eintritt.
Die Fotodetektoren A, B und C erzeugen analoge elektrische Signale, die die Intensität (d. h. Wechselstromamplitude) der optischen Signale R, T₁ bzw. T₂ angeben. Die von der Sensoranordnung ausgegebenen optischen Signale unterliegen Signalschwund aufgrund von Änderungen der Polarisation. Die analogen Signale werden digitalisiert, so dass sie in den Systemprozessor 68 eingegeben werden können. Der Systemprozessor 68 wählt aus, welcher der Fotodetektoren A, B oder C das Signal erzeugt, das verarbeitet werden wird, um den Sensorausgang zu bestimmen. Das Ziel des Algorithmus ist, das stärkste Signal auszuwählen, das Interferenzen zwischen optischen Signalen für jeden Kanal in der Sensoranordnung 10 repräsentiert. Der Algorithmus nach der vorliegenden Erfindung verarbeitet jeden Kanal bis zu einem bestimmten Punkt und entscheidet dann, welcher für Signalverarbeitung verwendet werden soll.
Bezug nehmend auf 3, umschließt der Algorithmus nach der vorliegenden Erfindung einen Maskenauswahlalgorithmus mit drei Masken innerhalb eines Entscheidungsalgorithmus. Eine innere Schleife 130 kontrolliert sequentiell all drei Maskeneingänge A, B, C für jeden der sechs Sensorkanäle 11A-11F und wählt die Maske aus, die die größte Vektorgröße hat. Eine äußere Schleife 132 akkumuliert die Ergebnisse jedes einzelnen Durchlaufs und wählt die Maske basierend auf einer Mehrheitsentscheidung für die Zahl der Durchläufe durch den Algorithmus aus.
Nach einem Startschritt 134 prüft der Algorithmus auf fünf Versuche 136. Wenn fünf Versuche nicht abgeschlossen wurden, prüft der Algorithmus dann, um zu ermitteln, ob die Sensoren in jedem der vier Banken 138 von Anordnungen 10 abgetastet wurden. Der Algorithmus fährt mit einem Schritt 140 fort, der ermittelt, ob alle sechs Kanäle in jeder Anordnung abgetastet wurden. Nachdem ein Schritt 142 ausgeführt wurde, der den Kalibrierungskanal auf den aktuellen Signalkanal setzt, fahrt der Algorithmus einen Schritt 146 aus, der die aktuelle Dreizellenmaske auswählt. Für jede Maske A, B, C hat der Algorithmus den Verzögerungsschritt 146, in dem er wartet, bis eine Zahl von Muster gesammelt wurde. Beispielsweise kann jede Maske 1000 Mal abgetastet werden, um Werte der gleichphasigen Komponente I und der quadratischen Komponente Q zu erhalten.
Der Anordnungsprozessor 68 akkumuliert 1000 Muster für jede Maske und führt dann einen Schritt 150 aus, in dem eine Amplitudensumme E berechnet wird. Die Amplitudensumme E ist die Summe der Quadrate der Wechselstromamplituden (I·I + Q·Q) des Signalausgangs von jeder Maske für eine ausgewählte Zahl von Mustern. Beispielsweise kann E die Summe von zehn aufeinanderfolgenden Muster von I·I + Q·Q für jede Maske sein, wobei I das gleichphasige Signal und Q das quadratische Signal ist, wie oben beschrieben. Nachdem für jede Maske die ausgewählte Zahl von Muster genommen und der Betrag E berechnet wurde, wird der größte Wert von E in einen Prüfprozess 152 eingegeben.
Ein Diagramm des Prüfprozesses 152 ist in 3B dargestellt. Der Prüfprozess 152 beinhaltet die Bestimmung, ob das Signal für die ausgewählte Maske (das die größte Wechselstromsignalamplitude hat) eine Amplitude hat, die für Demodulation geeignet ist. Wenn die Maskenamplitude ein Minimalkriterium nicht erfüllt, erhöht der Systemprozessor 68 die Amplitude in dem betreffenden Demodulatorkanal durch Anwenden einer Verstärkungserhöhung, die zu der Differenz zwischen der gemessenen Wechselstromsignalamplitude der Maske und einer festen Referenzamplitude proportional ist. Wenn die Maskenamplitude unter einer absoluten Minimalreferenz fällt, setzt der Systemprozessor 68 die Verstärkung in dem betreffenden Demodulatorkanal auf Null, wodurch dieser bestimmte Kanal effektiv ausgeschaltet wird. Der Grund dafür ist, einen „Screamer", das ist ein akustischer Kanal mit sehr geringer Amplitude, zu vermeiden. Kanäle mit vernachlässigbarem Ausgang erzeugen extrem große Arkustangens-Ergebnisse, die, wenn sie kohärent mit den Ausgängen von anderen Kanälen kombiniert werden, die gesamte Signal-Rausch-Leistung des Systems beträchtlich verschlechtern.
Der Prüfprozess 152 hat einen ersten Vergleichsschritt 154, der den ausgewählten Wert von E mit einem ausgewählten Referenzwert A_ref vergleicht. Wenn E nicht kleiner als A_ref ist, wird ein Schritt 156 ausgeführt, der den aktuellen Kanal beibehält, und der Systemprozessor 68 kehrt zu der äußeren Schleife 132 zurück. Wenn E kleiner als A_ref ist, vergleicht ein zweiter Vergleichsschritt 158 E mit einem minimalen akzeptablen Wert A_min. Wenn E kleiner als der minimale akzeptable Wert Arm ist, wird ein Schritt 160 ausgeführt, der den Verstärkungswert des aktuellen Kanals auf Null setzt. Wenn E nicht kleiner als der minimale akzeptable Wert ist, berechnet ein Korrekturschritt 162 einen Betrag G = (A_ref – E)/A_ref. Ein Schritt 164, der die aktuelle Kanalverstärkung um G% erhöht, wird ausgeführt, und dann kehrt der Systemprozessor 68 zur äußeren Schleife 132 zurück.
Für die ausgewählte Dreizelle prüft der Algorithmus jede Maske einmal pro Kanal für sechs Kanäle und prüft dann jede von vier Banken von sechs Kanälen für jede von fünf Versuchen. Der Algorithmus vergleicht dann die Ergebnisse der fünf Versuche von jedem der vierundzwanzig Kanäle. Wenn ein Prüfschritt 166 drei oder mehr Male angibt, dass die Maske A den größten Wert von E hat, wählt ein Masken-Einstellschritt 168 für diesen Kanal den Fotodetektor A als denjenigen aus, der das stärkste Signal bereitstellt. Wenn ein Prüfschritt 170 drei oder mehr Male angibt, dass die Maske B den größten Wert von E hat, wählt ein Masken-Einstellschritt 172 für diesen Kanal den Fotodetektor B als denjenigen aus, der das stärkste Signal bereitstellt. Wenn ein Prüfschritt 174 drei oder mehr Male angibt, dass die Maske C den größten Wert von E hat, wählt ein Masken-Einstellschritt 176 für diesen Kanal den Fotodetektor A als denjenigen aus, der das stärkste Signal bereitstellt.
Die äußere Schleife 132 hat einen variablen Index, so dass die Arbeitszyklusnutzung des Prozessors (Effizienz des Algorithmus) durch Genauigkeit des Algorithmus ausgeglichen werden kann. Typische Prüfergebnisse haben gezeigt, dass drei Durchgänge ausreichend waren, um eine adäquate Genauigkeit für die meisten Anwendungen des Sensorsystems 10 zu gewährleisten.
Die hierin offenbarten Strukturen und Verfahren veranschaulichen die Grundsätze der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne ihre grundlegenden Charakteristika zu verlassen. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in jeglicher Hinsicht als beispielhaft und veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen. Daher definieren die beigefügten Patentansprüche und nicht die vorstehende Beschreibung den Rahmen der Erfindung. Alle Abwandlungen an den hierin beschriebenen Ausführungsformen, die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Patentansprüche fallen, sind im Rahmen der Erfindung enthalten.

Claims

Verfahren zum Auswählen einer Zelle aus einer Fotodetektoranordnung, die zum Detektieren von optischen Signalen dient, die von einer Vielzahl von Sensoren ausgegeben werden, die angeordnet sind, um Interferenzen zwischen zwei optischen Signalen unbekannter Polarisation anzuzeigen, die auf die Fotodetektoranordnung auftreffen, die folgenden Schritte umfassend: (a) Auswählen einer Zelle zum Prüfen; (b) Sammeln einer ausgewählten Zahl von Muster des Signalausgangs für jede ausgewählte Zelle, wobei jedes Muster eine gleichphasige Komponente der Größenordnung I und eine quadratische Komponente der Größenordnung Q hat; (c) Berechnen eines Amplitudensummenwerts E = I·I + Q·Q für eine vorbestimmte Zahl von Muster in der ausgewählten Zahl von Muster des Signalausgangs für jede ausgewählte Zelle; (d) Wiederholen der Schritte (a)–(c) für jede zum Prüfen ausgewählte Zelle; und (e) Auswählen der Zelle, die den größten Amplitudensummenwert hat.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend den Schritt des Prüfen des größten Amplitudensummenwerts, um zu bestimmen, ob er für Demodulation geeignet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, weiter die folgenden Schritte umfassend: Anordnen der Vielzahl von Sensoren, um in einer Vielzahl von Kanälen zu sein, wobei jeder Kanal eine korrespondierende Verstärkung hat, die die Amplitudensummenwerte steuert; Vergleichen des größten Amplitudensummenwerts mit einer Referenzamplitude A_ref; und Beibehalten der Verstärkung in dem Kanal, der die Zelle mit dem größten Amplitudensummenwert enthält, wenn der größte Amplitudensummenwert nicht kleiner ist als die Referenzamplitude.
Verfahren nach Anspruch 3, weiter die folgenden Schritte umfassend: Bestimmen, ob der größte Amplitudensummenwert kleiner ist als die Referenzamplitude; Vergleichen der größten Amplitudensumme mit einem ausgewählten minimalen Amplitudenwert wenn die größte Amplitudensumme kleiner ist als die Referenzamplitude; Berechnen einer Verstärkungskorrektur G = (A_ref – E)/A_ref, wenn die größte Amplitudensumme kleiner ist als die ausgewählte minimale Amplitude.
Verfahren nach Anspruch 4, weiter umfassend den Schritt der Nullsetzung der Verstärkung in dem Kanal, der die Zelle mit der größten Amplitudensumme enthält, wenn die größte Amplitudensumme kleiner ist als die ausgewählte minimale Amplitude.
Verfahren nach Anspruch 5, weiter den folgenden Schritt umfassend: Prüfen aller Zellen in der Fotodetektoranordnung; und Auswählen der Zelle für jeden Fotodetektor, die den größten Amplitudensummenwert hat.
Verfahren zum Auswählen einer Zelle aus Gliedern einer mehrzelligen Fotodetektoranordnung, die eine Vielzahl von dreizelligen Fotodetektoren umfasst und zum Detektieren von optischen Signalen dient, die von einer Anordnung von Sensoren ausgegeben werden, die in einer Vielzahl von Kanälen angeordnet sind, um Interferenzen zwischen zwei optischen Signalen unbekannter Polarisation anzuzeigen, die auf die Fotodetektoranordnung auftreffen, die folgenden Schritte umfassend: (a) Auswählen einer Zelle in einem dreizelligen Fotodetektor; (b) Sammeln einer ausgewählten Zahl von Mustern des Signalausgangs für jede ausgewählte Zelle, wobei jedes Muster eine gleichphasige Komponente der Größenordnung I und eine quadratische Komponente der Größenordnung Q hat; (c) Berechnen einer Amplitudensumme E = I·I + Q·Q für eine vorbestimmte Zahl von Mustern in der ausgewählten Zahl von Mustern des Signalausgangs für jede ausgewählte Zelle; (d) Wiederholen der Schritte (a)–(c) für jede zum Prüfen ausgewählte Zelle; (e) Auswählen der Zelle in jedem dreizelligen Fotodetektor, die den größten Amplitudensummenwert hat.
Verfahren nach Anspruch 7, weiter umfassend den Schritt des Prüfens der Amplitudensumme, die den größten Wert hat, um zu bestimmen, ob sie für Demodulation geeignet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, weiter die folgenden Schritte umfassend: Vergleichen der Amplitudensumme, die den größten Wert hat, mit einer Referenzamplitude A_ref; und Beibehalten der Verstärkung in dem Kanal, der die Zelle mit der größten Amplitudensumme enthält, wenn die größte Amplitudensumme nicht kleiner ist als die Referenzamplitude.
Verfahren nach Anspruch 9, weiter die folgenden Schritte umfassend: Bestimmen, ob der größte Amplitudensummenwert kleiner ist als die Referenzamplitude; Vergleichen der größten Amplitudensumme mit einem ausgewählten minimalen Amplitudenwert A_min, wenn die größte Amplitudensumme kleiner ist als die Referenzamplitude; Berechnen einer Verstärkungskorrektur G = (A_ref – E)/A_ref, wenn die größte Amplitudensumme kleiner ist als die ausgewählte minimale Amplitude.
Verfahren nach Anspruch 10, weiter umfassend den Schritt der Nullsetzung der Verstärkung in dem Kanal, der die Zelle mit der größten Amplitudensumme enthält, wenn die größte Amplitudensumme kleiner ist als die ausgewählte minimale Amplitude.