NO864639L - Flerkanals fiberoptisk avfoelersystem. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører systemer som anvender tidsdelingsmultipleksing for samling av data fra to eller flere avfølere. Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen tidsdelingsmultipleksing av datasamlingssystemer som innbefatter to eller flere avfølere, hvor hver avføler er i stand til å modulere fasen for en reflektert del av ut-spørr ingslyssignalet som reaksjon på variasjoner i et innfallende signal, og også omfattende en fasefølsom detektor som er i stand til å måle fasemodulasjoner knyttet til det reflekterte lys fra hver av avfølerne.

Ved samling av data fra et stort antall av avfølere, er to generelle typer av metoder blitt anvendt. I den første føres et trådpar fra hver avføler til en dataregistreringsenhet. I den andre blir en viss form for multipleksing anvendt, slik at data fra mange avfølere blir påført en databuss som består av et enkelt ledningspar, koaksialkabel eller optisk kabel. En utøvelse av den andre typen av fremgangsmåte, blir en besparelse i ledning (eller annet datatransmisjonsmateriale) og rom for kabelføringer realisert. Ved utøvelse av konvensjonelle utførelsesformer av slik type av fremgangsmåte, har imidlertid en vesentlig mengde av elektronisk utstyr vært nødvendig for å digitalisere og kode informasjon fra hvert avfølerinnmatningssted. Ved utøvelse av fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse oppnås fordelene med multipleksing, og mengden av elektronisk utstyr som behøves ved hvert avføler-databuss grensesnitt reduseres.

En viktig anvendelse for den foreliggende oppfinnelse skjer innenfor området av marin seismologi. Innenfor marin seismologi er den mest vanlig anvendte teknikk for oppnåelse av geofysiske data refleksjons seismografteknikken som typisk krever bruken av et stort antall hydrofonoppstillinger som er koplet til å danne hva som er kjent som en marin hydrofonkabel ("marine streamer"). Den marine hydrofonkabelen taues bak et seismisk fartøy. De individuelle hydrofoner kan utgjøres av et piezoelektrisk element som omdanner akustiske signaler til elektriske signaler. Marine hydrofonkabler anvender typisk elektriske kabler til å sende slike elektriske signaler fra de nedsenkede hydrofoner til instrumenter som fremviser eller registrerer disse signaler ombord på det seismiske fartøyet.

En typisk marin hydrofonkabel kan ha 200 hydrofonoppstillinger. Hver oppstilling kan være 15 meter lang og kan utstyres av 17 hydrofoner parallelt. En slik marin hydrofonkabel vil være tre kilometer lang, kunne ha 3400 hydrofoner, og vil kreve minst 400 ledninger som forløper langs lengden av den elektriske kabel for å forbinde hver oppstilling med fartøy. I tillegg ville andre ledninger behøves for dybde-måling, styring og ande formål. Kabeldiameteren som er nødvendig for å ivareta et slikt stort antall av ledninger vil være ca. 7,6 cm.

Lengre marine hydrofonkabler er ønskelig, men utvidelse av den apparatur som vanligvis anvendes innenfor teknikken vil være vanskelig p.g.a. behovet for økt kabeldiameter for å ivareta slikt økt lengde. En annen løsning som er blitt tatt i bruk anvender en digital hydrofonkabel. I denne systemtype blir data fra hver oppstilling digitalisert, multiplekset, og så sendt ned langs en databuss til instrumenter om bord på det seismiske fartøyet. Denne digitale hydrofonkabelløsning, selv om den tillater hydrof onkabler med mindre diameter, medfører et mer kostbart system i vannet, og krever vanligvis elektronikkpakker av relativt stor diameter plassert ved forskjellige steder langs hydrofonkabelen som virker som støykilder ettersom hydrofonkabelen trekkes gjennom vannet.

Systmer er blitt foreslått som anvender optiske transdusere for å omdanne akustisk vibrasjon som er innfallende på en anordning slik som en hydron eller geofon til optiske signaler, og så til elektriske signaler. Slike systemer ville erstatte di konvensjonelle piezoelektriske transdusere med generelt mer komplisert f Iberoptikktransdusere . Problemet med å sende mange slike signaler ned langs hydrofonkabelen forblir det samme.

En fremgangsmåte for å unngå problemet med økt kabeldiameter skjer ved bruken av optiske fibre i stedet for elektrisk ledningsføring. Fiberoptiske systemer er blitt foreslått som omdanner innfallende akustisk vibrasjon til optiske signaler og opprettholder slike optiske signaler i optisk form for transmisjon. Noen - av- sl tke - tidl igere -foreslåtte systemer krever et separat fiber (eller fiberpar) for hver avføler. Andre slike foreslåtte systemer anvender kopiere og taps-bringende avfølere som bevirker et ekstra optisk tap hver gang lys forplanter seg gjennom dem, og derved i alvorlig gr-ad rib egr en s e ; an t al e t .^avi -s i gnal e r • s om pr ak t i s1& fkan~ håndterr es v

En fremgangsmåte for å frembringe en refleksjon i et optisk fiber er beskrevet i US-patent nr. 4.545.253. Dene fremgangsmåte anvender flyktig kopling mellom to fibersegmenter som er adskilt av en sløyfeformet fiberseksjon til å bevirke en del av lys som forplanter seg ned langs fiberet til å bli koplet fra et segment til det andre segment for derved å forplante seg tilbake langs fiberet i den motsatte retning. Fiberet kan være ubrutt ved denne fremgansmåte. Selv om de ekstra tap vil denne løsninger vesentlig lavere enn med en kopler, er de fortsatt for store til å tillate hundretalls av slike ref leks j onspunkter på et enkelt fiber. Dessuten er reflektoren ifølge US-patent 4.545.253 permanente i den forstand at de ekstra tap oppstår hver gang lys beveger seg over reflektorene, og slike tap påvirker operasjonen for samtlige reflektorer som er dannet nedstrøms fra en hvilken som helst bestemt reflektor på et enkelt fiber.

Andre kjente fremgangsmåter for å frembringe en refleksjon i et optisk fiber omfatter: å innføre en diskontinuitet i fiberet slik som ved å bryte fiberet og sammenkople de brutte ender, mekanisk å Innføre en mikroskopisk avsmalning på fiberet, og å frilegge en del av fiberet for rommessig periodiske avvikelser i den optiske brytningsindeks for kledningen som omgir f iberkjernen. Den sistnevnte fremgangs-.måte er beskrevet i britisk patentsøknad GB 2.145.237A, fra side 5, linje 65 t.o.m. side 6, linje 35. Disse kjente fremgangsmåter for å danne en reflektor på et fiber har alle den ulempe at de resulterer i en permanent reflektor. Der er et optisk tap ved hver permanente reflektor når lys passerer gjennom den, og slike tap påvirker samtlige avfølere som er knyttet til samtlige av reflektorene som er nedstrøms relativt en hvilken som helst bestemt reflektor på et fiber. Som et resultat av tapene, kunne et stort antall av slike permanente reflektorer ikke oppdages på et enkelt fiber.

En annen type av fiberoptikk transdusermekanisme baserer seg på fasemodulasjon i et enkelt-modusfiber som er nedsenket i et fluidum. Fasemodulasjonen i et slikt system skjer p.g.a. endringer i den optiske lengden for fiberet indusert av lydbølger som forplanter seg i fluidumet. Et eksempel på en slik teknikk er beskrevet i J. A. Bucaro, H. D. Dardy, og E. F. Carone, "Fiber-optic hydrophone", Journal Acoustic Society of America, Vol. 62, nr. 5, sidene 1302-1304, 1977. Denne publikasjon hverken angir eller antyder et system hvor flere avfølere er dannet på det samme fiber, heller ikke omhandler eller antyder noen avføler som reflekterer en del av et utspørrende lyssignal for påfølgende deteksjon og behandling.

Et relatert optisk transdusersystem er omhandlet i US-patent nr. 4.313.185. I dette patent omhandles et hydrofonsystem bestående av et første og et andre enkelt-modus fiber og middel for å kople lys fra det første fiberet til det andre fiberet og fra det andre fiberet til det første fiberet. Den optiske lengden av den optiske koplingsveien mellom de to fibrene moduleres som reaksjon på akustiske vibrasjoner som er innfallende på fibrene. Fasen og frekvensen for lys som beveger seg over den optiske koplingsbanen vil variere med henholdsvis den optiske lengden av banen og endringstakten derav. I det nevnte US-patent hverken omhandles eller antydes noe system hvor flere avfølere er dannet på det samme fiber, heller ikke omhandles eller antydes noen avføler som reflekterer en del av et utspørrende lyssignal for påfølgende deteksjon og behandling.

Andre typiske avfølere og multipleksingsplaner er beskrevet i avhandlingen av E. L. Green, et al. med tittel "Remote Passive Phase Sensor", gitt ved "the Third International Conference on Optical Fiber Sensors" avholdt -i San:.ÆJiego, 13.-14. februar, 1985, og i ovennevnte britiske patentsøknad GB-2.145.237A. Systemet ifølge sistnevnte britiske patent-søknad omfatter et antall avfølere som er dannet på et optisk fiber som utspørres av et utspørrende bølgelengde avsøkende laser signalv. e Hver; avføTer omf at ter * e t~ par ^ ire f iek t or er - s om - e r konstruert til å reflektere et bestemt bølgelengdebånd av det sveipede frekvensutspørrende signalet. De reflekterte signaler detekteres og behandles ifølge kompleks, bølge-lengdedelings demultipleksingsteknikk. Kompleksiteten ved demultipleksingsteknikken er en vesentlig ulempe. Dessuten har fremgangsmåtene for å danne reflektoren som omhandlet i den britiske patentsøknaden hadde den ulempe at de resulterer i en permanent reflektor, slik at der er et optisk tap ved hver permanente reflektor når lys passerer gjennom den. Slike tap vil påvirke samtlige avfølere som er knyttet til samtlige av reflektorene som er dannet nedstrøms relativt en hvilken som helst bestemt reflektor på fiberet.

Den nevnte avhandling av Green et al. beskriver en annen teknikk for å utspørre en fjerntliggende interferometrisk avføler dannet på et optisk fiber ved å analysere reflektert lys frembragt i avføleren når et utspørrende lyssignal passerer gjennom avføleren. Avføleren Ifølge Green et al. systemet omfatter en delvis reflektor og en fullstendig reflektor. Systemet omfatter også et kompenserende interferometer som definerer to baner av forskjellig lengde. Baneforskjellen kompenserer for denne tidsforsinkelse mellom de tilbakereflekterte stråler fra de to reflektorene. Etter forplantning gjennom de to banene, blir reflektert lys kombinert påny og fasen for det rekombinerte signalet måles. Green et al. avhandlingen antyder ikke hvorledes man skal konstruere og drive reflektorer som kan omveksles mellom en aktiv tilstand, i hvilken en del av lys som passerer gjennom reflektoren reflekteres, og en inaktiv tilstand hvilken lys passerer gjennom avføleren i alt vesentlig uhindret. Deteksjonsplanen ifølge Green et al. er en homodyndeteksjons-metode som anvender tilbakekopling til en fasemodulator for å opprettholde, ved kvadraturpunktet, fasen for de to signalene som skal rekombineres. Green et al. antyder ikke noen heterodyndeteksjonsteknikk, slik som en hvor reflektorene som er knyttet til en avføler i seg selv frembringer den optiske frekvensforskyvning som behøves for å muliggjøre heterodyn-deteksj on.

Oppfinnelsen vedrører et tidsdelingsmultipleksings datasamlingssystem omfattende et optisk fiber, to eller flere avfølere dannet på fiberet, og en fasefølsom detektor. Hver avføler omfatter to reflektorer (en enkelt reflektor kan deles av to avfølere). Hver reflektor kan omveksles mellom en aktiv tilstand hvor reflektoren reflekterer en del av et utspørrende lyssignal som forplanter seg langs fiberet gjennom reflektoren, og en deaktivert tilstand hvor lys kan forplante seg langs fiberet gjennom reflektoren i alt vesentlig uhindret. Hvert par av reflekterte signaler som er knyttet til reflektorparet for en avføler kan entydig identifiseres ved tidsdelingsmultipleksing. Den fasefølsomme detektoren måler fasemodulasjoner som er knyttet til hvert slikt par av reflekterte signaler.

I en foretrukket utførelsesform omfatter hver reflektormiddel for å generere to akustiske bølger som vil forplante seg inn i fiberet med valgte vinkler slik at hver forplanter seg i fiberet i en retning av 45° relativt fiberets langsgående akse og perpendikulært på retningen for den andre. Lys som beveger seg langs fiberets langsgående akse vil samvirke med det akustiske feltet som skyldes overlagring av de to akustiske bølgene for derved å bli delvis reflektert 180° tilbake langs fiberets akse. Fiberregionen hvor det akusto-optiske samvirket opptrer vil bli betegnet her som "samvirkningsregionen" (eller "samvirkningsdelen"). Denne type av reflektor kan aktiveres når det er ønskelig til å innføre de beskrevne par av akustiske bølger inn i samvirkningsregionen. Normalt vil reflektorene bli holdt i en deaktivert tilstand slik at lys kan forplante seg gjennom samvirkningsregionen uhindret (uten noen ekstra tap).

Ved en variant av den foreliggende oppfinnelse har hver akustiske bølge i paret som er knyttet til en reflektor sin opp r. inne 1 se- -vb & x ;en :-f or ak-j el 3? i g i •fcr an s dus e rr slik - - at"' h ve p akustiske bølge kan ha en uavhengig valgt frekvens. Hvis to forskjellige frekvenser velges, vil en lysbølge reflektert av reflektoren ha en oppforskjøvet eller en nedforskjøvet frekvens. Ved en annen variant innbefatter reflektoren en enkelt transduser, og den første akustiske bølgen er en del av den akustiske bølgeenergien generert av transduseren som forplanter seg gjennom substratet direkte inn i fiberet. Den andre akustiske bølgen er en annen del av den akustiske bølgeenergien generert av enkelttransduseren, som reflekteres fra en overflate av substratet og deretter avbøyes inn i fiberet. Fordi den andre variant kun krever en enkelt transduser, er den enklere å fremstille enn den første varianten. Dessuten tillater den andre utførelsen også en mer gunstig samvirkningsregiongeometri, som tillater redusert akustisk tap i fiberkledningen for en samvirkningsregion av tilstrekkelig langs fiberet langsgående akse, og medfører derfor større dif f raksjonsvirkningsgrad. Imidlertid vil i den andre varianten de to akustiske bølgene (dvs. de reflekterte og de ikke-reflekterte deler av den akustiske bølge-energien generert av enkelt-transduseren) ha identisk frekvens, slik at reflektoren i den andre varianten kan anvendes kun som en reflektor, og ikke en optisk frekvensforskyver.

I en foretrukket utførelsesform omfatter den fasefølsomme detektoren et kompenserende referanseben interferometer de reflekterte lyssignaler fra avfølerne omledes fra hovedfiberet til et annet fiber, og deretter inn i middel for å splitte de reflekterte signaler i to deler. Splittingsmidlet kan være en Braggcelle eller direktiv kopler. Delen av det delte signalet forplanter seg gjennom et referanseoptisk fiber med lengde 2L + M, hvor L er avstanden mellom reflektoren for hver avføler. Den andre delen av det delte signalet forplanter seg gjennom et kort optisk fiber av lengde M. De to delene rekombineres i en andre direktiv kopler, og det rekombinerte signalet detekteres av en fotodetektor og analyseres i en fasefølsom demodulasjons-enhet. Variasjoner i den optiske banelengden for hoved-f iberref leks j onen mellom reflektorene for en avføler (slik som kan skyldes trykkvariasjoner p.g.a. et treffende akustisk signal som er på seksjonen for hovedfiberet mellom to reflektorer) vil bevirke fasemodulasjoner i det rekombinerte reflekterte optiske signalet fra avføleren, hvilke modula-sjoner ekstraheres i fasedemodulasjonsenheten. I en utførel-sesform i hvilken de reflekterte optiske signaler fra en gitt avføler har den samme frekvens, blir den teknikk som er kjent som homodyndeteksjon anvendt. I en foretrukket utførelses-form anvendes en Braggcelle til å forskyve frekvensen for en del av det reflekterte lys i enten referansefiberet (eller det korte fiberet) relativt frekvensen for lys det korte fiberet (eller referansefiberet), slik at den teknikk som er kjent som heter odyndeteksj on kan anvendes. I en annen foretrukket utførelsesform blir reflektorer som er i stand til å frembringe reflekterte signaler med frekvens som er forskjellig fra den for det utspørrende signal anvendt, de reflekterte signaler fra reflektoren i hver avføler bevirkes til å ha forskjellige frekvenser, og heterodyndeteksjon anvendes. I denne andre foretrukne utførelsesform utfører selve reflektorene frekvensforskyvning som behøves til å anvende heterodyndeteksjon.

Fig. 1 er en skjematisk fremstilling av en første utførel-sesform hvor datasamlingssystemet ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 er et tverrsnittriss av en type av reflektor som kan anvendes i en foretrukket utførelsesform av systemet Ifølge oppfinnelsen, og et tilhørende optisk fiber, --tatt i et plan som innbefatter den langsgående f iberaksen.

Fig. 3 er et ekspandert riss over samvirkningsregionen for

utførelsesformen vist i fig. 2.

i oioue -wcfi-i. «.w ?■ ne anaivser e& i en fasefsj «om demoauls s ^ on s-Fig. 4 er et tverrsnitt av en annen type av reflektor som kan anvendes i en foretrukket utførelsesform av systemet ifølge oppfinnelsen, og et tilhørende optisk fiber, tatt i et plan som Innbefatter den langsgående fiberaksen. Fig. 5 er en skjematisk fremstilling over en andre utførel-sesform av datasamlingssystemet ifølge oppfinnelsen. Fig. 1 er en skjematisk fremstilling over en foretrukket utførelsesform av datasamlingssystemet ifølge oppfinnelsen. Reflektorer 4, 5, 6, 7, 8 og 9 er dannet på et hovedoptisk fiber 1. Selv om seks reflektorer er vist, kan mer enn seks reflektorer anvendes, som antydet ved bruddet mellom reflek-sjonene 8 og 9 som angir at delen av systemet mellom reflektorene 8 og 9 ikke er vist. På tilsvarende måte kan tre, fire eller fem reflektorer (i stedet for seks reflektorer) anvendes. Hver reflektor er i stand til å drives i en aktiv tilstand i hvilken reflektoren vil reflektere en del av et utspørrende lyssignal, slik som signal 23, ettersom lyssignaler forplanter seg langs fiberet 1 langsgående akse gjennom reflektoren. Hver reflektor er også i stand til å operere i en deaktivert tilstand, i hvilken et utspørrende lyssignal kan passere i alt vesentlig uhindret derigjennom. I en utførelsesform kan reflektorene selektivt aktiveres (eller deaktiveres) som reaksjon på eksternt genererte kommandosignaler. I en annen utførelsesform vil reflektoren omveksle mellom de aktiverte og deaktivert tilstander som reaksjon på internt generte tidsstyringssignaler . De foretrukne utførelsesformer av reflektoren skal beskrives i detalj nedenfor med henvisning til fig. 2, 3 og 4.

Fig. 1 bør være et polarisasjonsbevarende fiber konstruert for lavt tap og enkelt-modusoperas j on på operas j onsfrek-vensen. Et passende enkelt-modusfiber kan fremstilles på en velkjent måte innenfor teknikken ved å velge fiberdimensjoner og f abr ikas j onsmaterialer slik at kun laveste ordens modus vil forplante seg som en ledet bølge i fiberet.

En sender 2, som er i stand til å avgi et utspørrende lyssignal (slik som signal 23) inn i hovedfiberet 1, er plassert ved en ende av fiberet 1. Senderen 2 kan være en laserdiode eller en hvilken som helst annen passende lyskilde som er valgt fra de typer som er velkjente innenfor teknikken. Ved en fortrukket utførelsesform vil sender 2 være en Nd: YÅG laser som opererer på en bølgelengde av 1,3 mikron. Det utspørrende signalet forplanter seg gjennom den direktive kopierer 3 og langs fiberet 1 til reflektorene 4-9.

Hver avføler, slik som avføleren 10 eller avføleren 11, er knyttet til to reflektorer og derfor med par av reflekterte signaler fra de to reflektorene. Seksjonen av hovedfiberet 1 mellom de reflektorene for en avføler vil gjennomgå variasjoner i sin optiske lengde som reaksjon på variasjoner i de eksterne betingelser som treffer på disse (slik som eksternt trykk). Således indikerer variasjoner i den relative fasen mellom to reflekterte signaler fra reflektorene for en avføler, variasjoner i de eksterne betingelser som treffer på seksjonen av fiberet mellom de to reflektorene. Fase-forskjellen mellom de reflekterte signaler som er knyttet til en avføler moduleres av det eksterne signaler som er av Interesse (som kan være et akustisk signal slik som akustisk signal 13 eller akustisk signal 14) som treffer på den relevante fiberseksjonen ved tidspunktet som det utspørrende lyssignalet passer derigjennom.

Den direktive kopleren 3 vil omdirigere del av det reflekterte signalet fra hver av reflektorene 4-9 til den direktive kopleren 15 via det optiske fiber 16. En utgangsport på den direktive kopleren 15 er koplet til en ende på et kort optisk fiber 17 som har lengde M, og den andre utgangsporten er koplet til en ende av et referanseoptisk fiber 18 som har l'éngd^ r 2E£ *.! Mi^rjtvx^ilii*eir C^éngdagn s^s^HeiPraernfitøeæufc mellom hvert reflektorpar for en avføler). De andre endene av fiberene 17 og 18 er koplet til direktiv kopler 19. En utgangsport av kopleren 19 er koplet til det optiske fiber 22. Fiberet 22 overfører det rekombinerte lyssignalet som kommer ut fra kopleren 19 til fotodetektoren 20.

En passende fotodetektor kan velges fra de som er velkjente innenfor teknikken. Eksempelvis er en fotodetektor Model C30950F fremstilt av RCA blitt funnet tilfredsstillende for et system som anvender optiske fibre konstruert for enkelt-modus operasjon ved 850 nm. Utmatningen fra kopleren 19 kan behandles av demodulatorelektronikk-kretser 21 (som skal omtales i nærmere detalj nedenfor). Elektronikkenheten 21 er hensiktsmessig koplet til fotodetektoren 20 slik som ved hjelp av ledning 22.

De direktive kopiere 3, 15 og 19 kan velges fra de som er velkjente innenfor teknikken. Eksempelvis er den direktive kopleren Model FC244 fremstilt av Canadian Instrumentation and Research Limited passende for et datasamlingssystem som -anvender optiske fibre konstruert for enkelt-modusoperasjon ved 850 n.

Bølgelengden av det utspørrende lyssignalet bør være i en av lavtapsregionen for de optiske fibre som anvendes, for å redusere dempning. Slike lavtapsvinduer opptrer typisk nær 0,85 mikrometer, 1,3 mikrometer og 1,55 mikrometer. Injek-sjonslaserdioder som opererer i slike regioner vil bli foretrukket for bruk som sender 2 i systemer med et moderat antall av avfølere. I systemer som krever et større antall (hundretalls) av avfølere, vil mer kraftige laserkilder, slik som Nd:YAG bli foretrukket. Det utspørrende lyssignalet kan være en kort puls, eller kan være en kontinuerlig bølge. Reflektorene vil generere reflekterte signaler kun ved tidspunkter når begge de følgende betingelser opptrer: Det utspørrende lyssignalet passerer gjennom reflektoren, og reflektoren er blitt omvekslet til en aktivert tilstand.

Det reflekterte signalet fra hver reflektor kan entydig identifiseres ved tidsdelingsmultipleksing forutsatt at den utspørrende pulsens bredd i (eller perioden for reflektoraktivering) er tilstrekkelig smal slik at de individuelle reflekterte signaler kan utskilles. Dette vil skje hvis to-veis lysforplantningstiden mellom reflektorene for en avføler er større enn det reflekterte signalets pulsbredde. Hvis de individuelle reflektorer er likt adskilt fra hverandre, og det utspørrende signalet har tilstrekkelig smal pulsbredde (eller perioden for reflektoraktivering er tilstrekkelig kort), vil de reflekterte signaler fra hosliggende reflek-torers detektorseksjoner ankomme til kopleren 15 adskilt med et tidsintervall T = 2nL/c, hvor L er fiberlengden mellom hosliggende reflektorer, n er brytningsindeksen for fiberets 1 kjerne, og c er lyshastigheten i et vakuum. For å sikre oppløsning av signaler mellom avfølere, kan en tilføyet fiberlengde, som kan være oppspolert, koples mellom avfølerne til å gi den ønskete forsinkelse.

For at retur signalet fra reflektoren som ligger lengst fra senderen 2 (reflektor 9 i fig. 1) skal kunne være tydelig fra en hvilken som helst reflektert puls fra enden 25 av fiberet 1, foretrekkes det at avstanden mellom enden 25 og slik lengst vekk beliggende reflektor er av samme størrelse som, eller større enn, avstanden mellom hosliggende avfølere, alternativt kan enden 25 av fiberet 1 koples til en energi-absorberende avslutning (ikke vist I fig. 1) for i alt vesentlig å eliminere eventuell reflektert puls derfra. En slik energi absorberende avslutning kan velges fra de som er velkjente innenfor teknikken. Eksempelvis kan enden 25 nedsenkes i en beholder- av -f luidum--hv-i-s-~brytn-i:ngs indeks passer til den for fiberets 1 kjerne.

For at systemet ifølge oppfinnelsen skal operere med et meget stort antall (eksempelvis hundretalls) av avfølere, må r^f léktereneenaDékstr§OT •(ikke reflekterende), men et moderat ekstra tap når "på" kan tolereres. Ved operasjon vil et utspørrende lyssignal (eksempelvis en puls som har 150 ns puls-bredde) bli anvendt til å utlese en fiberseksjon som innbefatter eksempelvis ti 15 meter avfølere (dvs. ti avfølere for hvilke L = 15 meter), og en liten forsinkelse innføres slik at en ny 150 ns utspørrende lyspuls anvendes til å utspørre en neste seksjon av fiberet som innbefatter en andre gruppe av avfølere. Således vil moderate ekstraoptiske tap som er knyttet til refleksjoner av den første pulsen i avfølerne hos den første gruppen ikke påvirke utspørring av den andre gruppen av avfølere. Det vil imidlertid forstås at, p.g.a. laser-koherens lengdebegrensninger, er det nødvendig å anvende det "samme" lys for en gitt avfølerutlesning.

Fig. 2 er et tverrsnittriss av en foretrukket utførelsesform av en reflektor som er egnet for bruk som del av systemet ifølge oppfinnelsen. Reflektoren omfatter første akustiske transduser 50, andre akustiske transduser 51, og substrat 52. Substratet 52 er bundet til kledningen 57 for det optiske fiber 1. Fiberets 1 kjerne (58) strekker seg langs den sentrale langsgående akse for fiberet 1. Substratet 52 omfatter en første region 53 gjennom hvilken en første akustiske bølge 59 frembragt av transduseren 50 kan forplante seg inn i fiberet 1, en andre region 54 gjennom hvilken en andre akustiske bølge 60 frembragt av transduseren 51 kan forplante seg inn i fiberet 1, og akustisk absorberende element 55 plassert mellom den første regionen 53 og den andre regionen 54.

Substratet 52 er ganske enkelt det medium gjennom hvilket de akustiske bølger transporteres til fiberet 1 og har fortrinnsvis lave akustiske dempningskarakteristika. Passende materialer med lav dempning for nevnte første og andre regioner av substratet 52 kan innbefatte Li Nb03, YIG, AI2O3, Ti O2, YAG eller MgA^C^. Passende materialer for bruk i reflektorsubstratet innbefatter de anisotropiske materialer som er blitt anvendt ved konvensjonelle høyfrekvents Bragg-celler. P.g.a. deres anisotropi, vil disse materialer ha en foretrukket orientering relativt transduseren og fiberet for å gjøre akustiske dempninger minst mulige. Substratet behøver ikke å ha noen spesielle optiske egenskaper, og kan være optisk ugjennomsiktig. Derfor kan der være passende substratmaterialer utenfor klassen av substrater som anvendes i konvensjonelle Bragg-celler (som har bestemte optiske egenskaper), innbefattende isotropiske materialer. For beskrivelsen av fig. 2, skal substratet antas å være litiumniobat (Li NbC^). Det absorbente elementet 55 kan være bindingsmaterialet som anvendes til å sammenføye de to substratregionene, slik som epoksy.

Transduserne 50 og 51 kan være konvensjonelle ultralydtransdusere av den type som anvendes for Bragg-celler. Slike transdusere kan lages av Li Nb O3eller annet piezoelektrisk materiale. I en utførelseform hvor transduserne 50 og 51 er identiske ultralydtransdusere, vil en anvendelse av en RF-puls med frekvens f og varighet t på transduseren 50 avgi inn i substratet 52 en ultralydbølge 59 med frekvens f og varighet t, og tilførsel av en lignende puls til transduseren 51 vil avgi inn i substratet 52 ultralydbølge 60 med frekvens f og varighet t. Ultralydbølgene 59 og 60 vil forplante seg gjenom substratet og inn i fiberet som er vist i fig. 2. Ultralydbølgene bør skjære hverandre I rett vinkel I fiberet, og bølgefrontene i fiberet bør begge være orientert med en vinkel lik 45° relativt fiberaksen. Delen av fiberet hvor de akustiske bølger skjærer skal refereres gjennom denne søknad som "samvirkningsdelen" (eller "samvirkningsregionen") for fiberet. For at bølgene 59 og 60 skal bevege seg inn i et kiselfiber med en vinkel ay 45'..re Lajt i-y t, _f ib e.raks en,;cmå vinkelen cx mellom fiberaksen og substratoyerflaten til hvilken ultralydtransduseren er montert være:

hvor Vlog Vser lydhastigheten i henholdsvis litiumniobat og kisel. Dette forhold følger fra Snell's lov. Fordi VL= 6,57 x IO<3>M/S og Vs= 5,96 x IO<3>M/S, bør cx være 51,2° i denne utførelsesform av reflektoren. Fig. 3 viser et ekspandert riss av samvirkningsregionen for utførelsesformen vist i fig. 2. Fig. 3 viser geometrien for det akusto-optiske samvirket som resulterer i den ønskete tilbakerefleksjon. Bølgefrontene for de akustiske bølger 59 og 60 som forplanter seg gjennom samvirkningsregionen i fiberet, bør være i alt vesentlig plane, slik at lys som forplanter seg gjennom samvirkningsregionen vil møte i alt vesentlig flate akustiske bølgefronter, slik som bølgefront X for bølgetog 59 og bølgefront Y for bølgetog 60. Lysbølgen 71, med bølgelengde X i fiberet 1, skal nå vurderes, ettersom den forplanter seg langs fiberaksen mot høyre i fig. 3, og møter skjæringspunktene R, S, etc. for akustiske bølgetog 59 og 60. Brytningsindekgradienten I fiberet ved disse punkter er retningen om lysbølgen 71 beveger seg og derfor, p.g.a. det akusto-optiske samvirket mellom lysbølgen 71 og det akustiske feltet som skyldes overlagring av bølgetogene 59 og 60, vil en refleksjon ved 180° (dvs. en tilbakeref leksjon) opptre. Amplituden av det reflekterte lys er på et maksimum når &, distansen mellom R og S, er lik X/2. Høyere ordens maksima eksisterer ved avstanden som tilsvarer & = 32/ 2, 5Æ/2 MÆ/2 (hvor M er ett hvilket som helst helt positivt oddetall). Dessuten, ettersom & = A/Cos (J), hvor A er lik den akustiske bølgelengde i fiberet, $ = 45°, og A = V/f, hvor V er den akustiske hastighet i fiberet, følger det at f - 2V/MX Cos 0, eller:

hvor n er den gjennomsnittlige optiske brytningsindeks for fiberet (dvs. fiberets optiske brytningsindeks ved fraværet av eventuell akustisk bølge som forplanter seg gjennom fiberet, og Xg er fritt-romsbølgelengden for lysbølgen 71. Hvis XQ= 1,3 x 10_<6>M, n= 1,46, og V = 5,96 x IO<3>M/S, så blir f = (l/M) 18,93 GHz. Ultrlyddeformasjonen har virk-ningen av et diffraksjonsgitter på lysbølgen 71, de mulige operas j on s f r ekvenser for reflektoren er f = 18,93 GHz, 6,31 GHz, 3,78 GHz osv., i det beskrevne eksempel. P.g.a. de naturlige vanskeligheter med å operere på de høyere GHz-frekvenser (innbefattende transduserfabrikasjonsproblemer og det faktum at dempning øker med kvadratet av frekvens), og fordi intensiteten av den reflekterte lysbølgen 1 høyere diffraksjonsorden avtar meget hurtig, involveres en avveining i forbindelse med valg av den beste operasjonsfrekvens. En operasjonsfrekvens lik 6,31 GHz i det beskrevne eksempel er en mulighet. Dette tilsvarer en banelengdedifferanse lik 3X/2. Der er en annen mulig løsning, og det er å starte med en transduser på en lavere grunnfrekvens og opererer den på høyere like harmoniske. Det er velkjent at Braggceller kan opereres for denne måte, men at båndbreddene over hvilke de opererer blir tilsvarende redusert ved høyere harmoniske. Ved oppfinnelsen ifølge foreliggende søknad kreves ikke bred

båndbredde. Således kan man, i det beskrevne eksempel, operere på 18,93 GHz under anvendelse av transdusere med 2,7 GHz frekvens, men som drives på den syvenden harmoniske eller 18,93 GHz.

Idet der påny vises til fig. 3, vil man se at banelengdedifferansen for lysbølgen 72, etter to refleksjoner, er den samme som banelengdedifferansen for lysbølgen 71, og derfor er betingelsene for refleksjonsmaksima de samme for samtlige lysstråler som forplanter seg langs fiberaksen inn i samvirkningsregionen. Det akustiske feltet, som skyldes overlagring i s am v i rkTTfngsrégroneri for de akustiske bølger som injiseres der, virker i stor grad som et Porro-prisme som har egenskapen med retro-reflektering av lys i et plan.

I en konvensjonell Bragg-celle blir den avbøyde optiske strålen dopplerforskjøvet i frekvens i en størrelse lik den akustiske frekvensen. Ved en variant av den konvensjonelle Bragg-celle hvor en 180°diffraksjon frembringes, med samme Xq, n og V anvendt ovenfor, ville den resultere optisk frekvensforskjøvning være 18,93 GHz.

Imidlertid er der med reflektorutførelsesformen ifølge fig. 2 ingen optisk frekvensforskyvning hvis frekvensene for akustiske bølger 59 og 60 er de samme. Disse kan forståes med henvisning til fig. 3. I fig. 3 forplanter det første akustiske bølgetoget 59 seg I f iberoppkledningen 57 og fiberkjernen 58 i retningen av pilen 30 og det andre akustiske bølgetoget 60 forplanter seg i kledningen 57 og kjernen 58 i retningen av pilen 31. Antar man at bølgetogene 59 og 60 har identiske frekvenser, blir "speilet" ved punkt R dannet av skjæringen mellom bølgefronten X for bølgen 59 og bølgefronten Y for bølgen 60 ved et bestemt øyeblikk. Ved ett eller annet tidspunkt senere, vil punktet R ha beveget seg oppad i retningen av pilen 75 (dvs. perpendikulært på fiberets langsgående akse). Således har "speil" ingen hastighetskomponent i retningen som er parallell med lys strålen 71, og vil derfor ikke bevirke en frekvensforskyvning i det reflekterte optiske signalet.

Utførelsesform av reflektoren i fig. 2 frembringer imidlertid en optisk frekvensforskyvning i den reflekterte lysstrålen hvis frekvensene for de akustiske stråler 59 og 60 ikke er identisk. I den variant av utførelsesformen i fig. 2, hvis frekvensen for det første akustiske bølgetoget 59 er høyere, vil "speilet" dannet av skjæringen mellom to bølgefronter ha en hastighetskomponent, Vp, i retningen bort fra lyset som nærmer og derfor vil en nedadforskyvning i den reflekterte lysstrålen opptre. Den reflekterte lystrålen vil bli oppadforskjøvet hvis frekvensen for det andre akustiske bølgetoget 60 var høyere. Størrelsen av den optiske frekvensforskyvning ville være:

hvor fi er frekvensen i fiber for det første akustiske bølgetoget 59, f 2 er frekvensen i fiberet for det andre akustiske bølgetoget 60, og alle øvrige symboler er som tidligerer definert. Den reflekterte lysfrekvensen som frembringes i reflektoren i fig. 2 kan styres ved å variere frekvensforskjellen, fi~f2»slik som å drive nevnte første og andre transdusere på valgte ulike frekvenser. Denne evne muliggjør at en spesiell type av heterodyndeteksjonsteknikk (som skal beskrives i detalj nedenfor) kan anvendes for demodulering av signalet som detekteres på fotodetektoren 20 ifølge utførelsesformen i fig. 1 av foreliggende system.

Nevnte første og andre akustiske transdusere ifølge reflektorens utførelsesform som vist i fig. 2 må orienteres og substratet må formes slik at akustiske bølger utsendt fra nevnte første og andre akustiske transdusere vil hver gå inn i fiberet med den nødvendige vinkel for derved å frembringe i fiberets samvirkningsregion et akustisk felt av den type som er beskrevet ovenfor med henvisning til fig. 3. Fortrinnsvis vil substratet Innbefatte et akustisk absorberende element, slik som epoksy, bundet mellom de to regioner av substrat-materialet som har lave akustiske dempningsegenskaper. Et slikt absorberende element vil redusere uønskede refleksjoner innenfor substratet og ved substrat-fiber-grensesjiktet.-

Fig. 4 er et tverrsnittriss av en andre foretrukket utførel-sesform av en reflektor som er egnet for bruk i systemet ifølge oppfinnelsen. En akustisk transduser 101 avgir akusti-skpbølgeenergt^iniL. i substrat eA°0»' sLi-k cat-?den akus= tiske bølgen først forplanter seg i retningen av strålene 108, 109 og 110. Delen av den akustiske bølgen som initielt forplanter seg gjennom substratet 100 i region mellom strålene 109 og 110, avbøyes direkte inn i kledningen 105 hos det optiske fiberet 104 for derved å forplante seg i kledningen 105 og kjernen 106 hos fiberet 104 i retningen av strålene 112. Denne ikke-ref 1 ekterte bølgeenergi vil bli benevnte som den første akustiske bølge ettersom den forplanter seg i fiberet. Delen av den akustiske bølge som først forplanter seg gjennom substratet 100 i regionen mellom strålene 108 og 109 reflekteres fra overflaten 102 på substratet 100 og blir deretter avbøyet inn i fiberet 104 for derved å forplante seg i fiberet 104 i retningen av strålen 111. Den reflektere del vil bli benevnt som den andre akustiske bølgen ettersom den forplanter seg i fiberet. Retningen av strålen 111 bør være 45° relativt fiberets langsgående akse, og retningen av strålen 112 bør være i alt vesentlig 45° relativt den langsgående fiberaksen, og perpendikulær på retningen for strålen 111.

Transduseren 101 og substratet 100 kan være av den samme type som henholdsvis transduseren 50 og substratregionen i utførelsesformen i fig. 2, og kan bindes til hverandre og til fiberet på den samme måte som i fig. 2. Man må ta omhyggelig hensyn til at substratet 100 er riktig orientert, og at transduseren 101 og overflaten 102 er riktig plassert, relativt det optiske fiber 104, slik at de reflekterte og ikke-reflekterte deler av den akustiske bølgeenergien ankommer til substrat-fiber grensesjiktet med den riktige vinkel og for derved å redusere akustiske tap i substratet (som generelt vil avhenge av orienteringen av substratet relativt forplantningsretningen for en akustisk bølge deri.

Når reflektoren ifølge fig. 3 aktiveres, forplanter akustiske bølgeenergi seg gjennom substratet 100 i retningen av strålene 108, 109 og 110. Delen av den akustiske bølge-energien som forplanter seg i regionen mellom strålene 108 og 109 vil bli reflektert fra overflaten 102 hos substratet 100. Overflaten 102 er del av grensesjiktet mellom substratet 102 og det omgivende medium. Det omgivende medium vil typisk være luft. Den reflekterte akustiske strålning vil bli avbøyet inn i fiberkledningen 105 for derved å forplante seg deri som en første bølge i retningen av strålen 111. En del av den akustiske bølgeenergi som forplanter seg i substratet 100 i regionen mellom strålen 109 og 110 vil bli avbøyet inn i fiberkledningen 105 for derved å forplante seg deri som en andre bølge i retningen av strålen 112. Strålene 111 og 112 må begge orienteres omtrentlig 45° relativt fiberets langsgående og må være omtrentlig perpendikulær relativt hverandre. En utspørrende lysbølge som forplanter seg langs fiberet 104 vil møte samvirkningsdelen hvor både den første bølgen 111 og den andre bølgen 112 forplanter seg, og en del av energien i lysbølgen vil bli reflektert tilbake i retningen 180° vekk fra den opprinnelige lysforplantnings-retningen p.g.a. de akusto-optiske samvirkninger i samvirkningsdelen.

En fordel med utførelsesformen i fig. er at kun en enkelt transduser behøves slik at reflektoren er enklere å fremstille. Der er også andre viktige fordeler. Reflektorsubstratet (i en hvilken som helst av reflektorens utførelsesformer, kan bindes til det optiske fiber som følger. Fiberet bindes først i en plate (slik som platen 103 i fig. 4), et spor som er kuttet i platen. Platen kan være laget av smeltet kisel. Toppoverflaten av plate-fibersammen-stillingen blir så avslipt og polert. Et typisk har en ytterdiameter lik ca. 125 mikron, og et enkelt-modusfiber som opererer på: en optisk bølgelengde:- Hk ;1,3 mikron vi Ir-typisk ha en kjernediameter lik 10 mikron. Fortrinnsvis, etter slipningen og poleringen, forblir der et tynt kledningslag mellom fiberkjernen og fiber-platesammenstillingens toppover-flate. For et fiber med typiske dimensjoner, bør dette tynne kledningslag harren^^tykkel-se ■> ave car? rt rm4.k<itom <=ir *atffl>i*e I Sén ^ ir fig. 2. I utførelsesformen i fig. 4 vil, for et fiber med typiske dimensjoner, det optiske kledningslagets tykkelse være mindre enn 30 mikron, og vil ønskelig være i området av ca. 5 til 10 mikron. Når substratet plasseres mot toppoverflaten av fiber-platesammenstillingen, og hvis et lag av kledning forblir mellom substratet og kjernen, er der ikke noe ekstra tap knyttet til anordningen når denne er deaktivert. Hvis de akustiske bølger passerer gjennom en distanse av ikke mer enn ca. 30 mikron i kiselkledning til å nå f iberkj ernen, er det tilhørende dempningstap i akustisk energi mindre enn 3 db hvis operasjonsfrekvensen er 6,3 GHz.

Reflektorens substrat kan så bindes til den slipte og polerte toppoverflaten av fiber-platesammenstillingen ved hjelp av de samme teknikker som anvendes til å binde GHz-transdusere til Bragg-celler. Substratet, bindingsmaterialet, og fiberkledningen og kjernen vil fortrinnsvis ha nært tilpasset akustisk impedans for derved å redusere akustiske refleksjonstap som opptrer når akustiske bølger forplanter seg fra subtratet inn i fiberet.

Selv om to utførelsesformer av en passende reflektor er blitt beskrevet med henvisning til fig. 2 og 4, kan andre typer av reflektorer anvendes i systemet ifølge oppfinnelsen, forutsatt at slike reflektorer er i stand til å opereres i en aktivert tilstand i hvilken reflektoren vil tilbakereflektere en del av en utspørrende lysstråle., og i en deaktivert tilstand hvor det utspørrende lyssignalet kan forplante seg I alt vesentlig uhindret forbi den (deaktiverte) reflektoren.

Det er ønskelig at optiske tap på en reflektor i systemet ifølge oppfinnelsen kan hindres fra å påvirke det reflekterte lyssignalet som frembringes for hver øvrige reflektor dannet på et enkelt fiber. For å oppnå dette ønskede resultat i den ene eller andre av utførelsesformen ifølge fig. 2 eller 4, kan transduserne som anvendes i reflektorene velges fra de som er kommersielt tilgjengelig som kan omveksles mellom en aktivert tilstand og en deaktivert tilstand på kommando. Ved operasjon vil det utspørrende lyssignalet avgis inn i hovedfiberet og en valgt reflektor bli aktivert ved å veksle den tilhørende transduser (eller par av transdusere) "på". Alle øvrige reflektorer som er plassert langs fiberet mellom lyskilden og den valgte reflektor (dvs. "oppstrøms" reflektorene) vil bli koplet "av" for å redusere dempning av det utspørrende lys ettersom det passerer disse oppstrømsreflek-torer. Ved senere tidspunkter, muligvis etter at et påfølg-ende utspørrende lyssignal er blitt avgitt i hovedfiberet, kunne en hvilken som helst ønsket kombinasjon av aktive reflektorer bli oppnådd ved på passende måte å aktivere eller deaktivere de individuelle reflektorer. Alternativt vil det utspørrende signalet være en kontinuerlig lysbølge, og en hvilken som helst ønsket kombinasjon av reflektorer vil bli aktivert (eller deaktivert) ved ønskede øyeblikk.

Signaler for aktivering av reflektorene og RF-effekt for operer ing av de aktiverte reflektorer, kan sendes langs en linje (ikke vist i fig. 1) parallelt med fiberet 1 og forsterke ved passende punkter langs en slik linje. Alternativt kan RF-effekt for drift av reflektorene genereres lokalt. Reflektorene kan omveksles som reaksjon på fjernt generert kommandoer, eller lokalt genererte kommandoer frembragt eksempelvi med tidsstyrte intervaller.

Det bør fortås at for i 1lustrasjonsformål er en optik frekvens lik 1300 nm blitt anvendt her, men at nåtidens optiske fibere også ha lave optiske tap på 850 og 1550 nm. Omfattende anstrengelse gjøres for å frembringe fiberet som har langt mindre tap ved lengre bølgelengder. Hvis disse fibre realiseres, vil de beskrevne akusto-optiske reflektor-anordninger bli lettere å fremstille p.g.a. de lavere operasjonsfrekvenser.

Operasjonen av det fasefølsomme detektorelementet ifølge det foreliggende 'system ican -forstås ved- å vurdere deTefl ekter te signaler fra reflektorparet hos en enkelt avføler (eksempelvis avføleren 10) i utførelsesformen i fig. 1. Delen av det reflekterte signalet fra "opp-strøms" reflektoren (reflektor 4) som ankommer på fotodetektor 120 etter forplantning gjennom den banen (gjennom referansefiberet 18) vil ankomme på fotodetektoren 20 samtidig som delen av det reflekterte signalet fra "ned-strøms" reflektoren (reflektor 5) som har forplantet seg gjennom den korte banen (gjennom kort fiber 17), vil. Etter rekombinering ved kopleren 19, vil disse to stråler samvirke på overflaten av fotodetektoren 20. Utmatningen fra fotodetektoren 20 behandles i demodulatorelektronikkenheten 21 til å ekstrahere faseinformasjon hva angår det rekombinerte signalet.

Endringer i det eksterne betingelser som er innfallende på avføleren 10, av den type som induserer en optisk banelengde-endring i fiberseksjonen mellom de to tilhørende reflektorer, vil medføre fasemodulasjon av utgangssignalet fra fotodetektoren 20. Hvis eksempelvis et akustisk signal 13 treffer på avføleren 10, vil den endre den optiske banelengden for optiske signaler som forplanter seg i fiberseksjonen mellom reflektorene 4 og 5. Det er velkjent at optiske f iberseksj oner hvis optiske lengde er følsom for endringer i andre parametre, slik som temperatur, magnetfelt etc, kan konstruere tilsvarende optiske fibreseksjoner som er følsomme for akustiske signaler. Vanligvis behøver kun fiberbelegget å bli endret for å optimalisere følsomhet overfor den spesielle parameter som skal avføles.

Ettersom det utspørrende lyssignalet forplanter seg langs hovedfiberet 1, blir hver f iberseksj on mellom et par av reflektorer suksessesivt det avfølende fiber og sammenlignes med samme ref eranseben. Nedledingsufølsomhet skyldes det faktum at signaler fra suksessive reflektorer vandrer over den samme bane tilbake til mottakeren, og adskilles i tid av to-veis bevegelsestiden mellom reflektorer.

Den mest vanlige form for en fiber-optisk interferometrisk avføler er en Mach-Zenderløsning. Denne utformning er den som ville blitt oppnådd hvis, i fig. 1, lyssignalet 23 ville bli injisert inn i en port på kopleren 15 og de to interfero-meterarmene (fibrene 17 og 18) ville få lik lengde. Man kan da se at planen ifølge det foreliggende system er i grunn-trekk en Mach-Zenderløsning for banelengdekompensering hvor den avfølende arm bevirkes til å være de suksessive hoved-fiberseksjonene mellom reflektoer. De fjerntliggende avfølende elementer er i en Fabry-Perot konfigurasjon. Avfølerne utleses ved hjelp av tidsdelingsmultipleksing.

Demodulatorelektronikkenheten 21 kan velges fra en hvilken som helst av flere typer som er kjent innenfor teknikken. Eksempelvis kunne en homodyndeteksjonsenhet anvendes i en utførelsesform hvor de reflekterte signaler alle har lik frekvens, slik at der ikke er noen svevningsfrekvens knyttet til fotodetektorutmatningen. For at denne homodyne detek-sjonsmetode skal virke effektivt, bør fasen for de to reflekterte signaler fra en hvilken som helst gitt avføler opprettholdes på kvadraturpunktet hvor fasefølsomheten maksimaliseres. Dette kan oppnås ved å anvende tilbakekopling til en fiberstrekker (ikke vist i fig. l) som er innført 1 ett av fibrene 17 eller 18. Hvor imidlertid mange avfølere langs hovedfiberet 2 skal utleses i hurtig rekke-følge, kan denne tilbakekoplingsteknikk være praktisk vanskelig å realisere. En alternativ fremgangsmåte kjent som den syntetiske heterodynmetoden kan også anvendes. En piezoelektrisk strekker (faseskifter) er innført i ett av fibrene 17 eller 18 i dette tilfellet. Ved utøvelse av både en homodyne teknikk og den syntetiske heterodynteknikk, vil lysutjnatningenr. fra begge porter på. kopleren 19 fortFinnsvis bli detektert til å forbedre ytelse ved å gi ett eller annet mål på laseramplitudekompensering.

I en foretrukket utførelsesform blir en heterodyndeteksjons-enhet anvendt som enhet 21 for demodulering av utmatningen fra fotodetektoren 20. Fortrinnsvis vil denne utførelsesform anvende reflektorer av den type som er i stand til å frembringe reflekterte optiske signaler som har frekvens forskjellig fra den for det utspørrende lyssignalet. Et eksempel på en slik reflektor ble beskrevet ovenfor med henvisning til fig. 2. Fortrinnsvis vil så passende reflektorer av denne type bli anvendt, og på passende måte drevet slik at reflektorene selv utfører frekvensforskyvningen som behøves for å anvende heterodyndeteksjon. Hvis eksempelvis de "odde" reflektorer (reflektor 4, reflektor 6, etc.) oppadforskyver den optiske frekvensen med en størrelse f, og de "like" reflektorer (reflektor 5, reflektor 7, reflektor 9) nedadforskyver den optiske frekvensen med en lik størrelse (-f), vil utmatningen fra fotodetektoren så være et signal med bærebølgefrekvens 2f. Informasjon hva angår eksternt signal av interesse som er innfallende på avfølerne vil bli ekstrahert (via heterodynteknikken) som en fasemodulasjon på dette bærebølgesignal med frekvens 2f. Fasemodulasj onen kan gjenvinnes ifølge velkjente teknikker som anvender en FM-diskriminator eller faselåst sløyfe. Hvis eksempelvis det akustiske signalet 13 (som er innfallende på avføleren 10) har frekvens w, vil så i denne utførelses- formutmatningen fra fotodetektoren 20 være en bærebølge med frekvens 2f med en fasemodulasjon som har frekvens w.

I en annen foretrukket utførelsesform, hvor de reflekterte signaler fra avfølerne alle har samme frekvens, kan hetero-dyndeteks;) on anvendes hvis en Bragg-celle frekvensforskyver (ikke vist i fig. 1) koples inn i ett av fiberne 17 eller 18. En passende Bragg-celle kan velges fra de som er konversielt tilgjengelige. Hvis Bragg-cellen forskyver frekvensen for det påvirkede lys med en størrele f, vil en så bærebølge-frekvensen for signalet som kommer ut på utgangen fra fotodetektoren 20 være frekvensen f. Det eksterne signalet som er av interesse vil så gjenvinnes som en fasemodulasjon på denne.bærebølgen.

Nok en annen foretrukket utførelsesform av oppfinnelen skal så beskrive med henvisning til fig. 5. Utførelsesf ormen i fig. 5 avviker fra utførelsesformen i fig. 1, primært ved at Bragg-cellen 151 erstatter kopleren 15. I utførelsesformen i fig. 5 blir de reflekterte signaler fra reflektoren (innbefattende reflektorene 4, 5, 6 og 7) omdirigert av den direktive kopleren 3 inn i det optiske fiberet 16, kommer så ut fra fiberet 16, og går så inn i Bragg-cellen 151 etter å være blitt fokusert ved linsen 150. Hvis de reflekterte optiske signaler som går inn i Bragg-celle 151 har frekvens wq , iduserer så Bragg-cellen 151 frekvensforskyvning f til den delen av lyset som er omdirigert gjennom linse 152 inn i det optiske referansefiberet 154, slik at lyset som forplanter seg gjennom referansefiberet 154 har frekven wg + f.

Referansefiberet 154 har lengde 2L + M, hvor

L er lengden av hovedfiberets 2 seksjon som adskiller hvert par av reflektorer i hver avføler. Det av hvert lyssignal som går inn i Bragg-cellen 151 som ikke omdirigeres der, vil komme ut fra Bragg-cellen, bli fokusert gjennom linsen 153 inn i et kort optisk fiber 155, og vil forplante seg i fiberet 155 med frekvens wq. Det korte fiberet 155 har lengde M. Inngangsportene hos den direktive kopleren 156 er koplet til nedstrømsendene hos fibrene 154 og 155. De to strålene som kommer ut fra Bragg-cellen 151 vil bli rekombinert i en kopler 156, og det rekombinert optiske signalet som kommer ut fra en utgangport hos kopleren 156 vil forplante seg gjennom fiberet 157 til en fotodetektor 158. Utmatningen fra fotodetektoren 158 som er knyttet til hver avføler, vil være en bærebølge, av frekvens f, fasemodulert av det eksterne signalet som er av interesse som støter mot avføleren- Fotodetektorens utgangssignal kan demoduleres ved hjelp av i og for seg kjente teknikker, slik som i utførel-sesf ormene som er omtalt i de to foregående avsnitt.

Det skal forstås at forskjellige utførelsesformer som er b£stoJBivetsih©r3itotn . er illustrerende for det oppfinneriske begrep og at disse utførelsesformer ikke bør ansees som begrensninger av oppfinnelsen. Forskjellige endringer hva angår fremgangsmåter og anordninger som beskrevet her kan ligge innenfor omfanget av de vedlagte patentkrav uten å avvike fra oppfinnelsens idé.

Claims (15)

1. Datasamlingssystem, karakterisert ved : et optisk hovedfiber gjennom hvilket et utspørrende lyssignal kan forplante seg i en første retning, minst tre reflektorer dannet på hovedfiberet slik at hver reflektor adskilles fra den nærmeste reflektor til denne ved hjelp av en seksjon av hovedfiberet som har lengde L, hvor hver reflektor er i stand til å operere i en aktiv tilstand i hvilken reflektoren vil reflektere en del av det utspørrende lyssignalet slik at den reflekterte delen vil forplante seg i en retning motsatt den første retningen, og hver reflektor er også i stand til å operere i en deaktivert tilstand i hvilken det utspørrende lyssignalet kan forplante seg i alt vesentlig uhindret forbi reflektoren, og en fasefølsom detektor som er i stand til å måle fasemodulasjoner knyttet til par av reflekterte signaler, hvor hvert reflekterte signal i hvert par har sin opprinnelse på et par hosliggende reflektorer, og hvor energien i begge reflekterte signaler i hvert par reflekteres fra det samme utspørrende lyssignalet.

2. Datasamlingssystem, karakterisert ved : et optisk hovedfiber som har en langsgående akse og en første ende og en andre ende, en lyskilde for å sende inn i den første enden av hovedfiberet et utspørrende lyssignal som forplanter seg iden første retningen langs hovedfiberets langsgående akse, minst to avfølere dannet på hovedfiberet, hvor hver av avføleren inbefatter to reflektorer som er adskilt fra hverandre med en distanse L langs fiberets langsgående akse, hvor hver reflektor er i stand til å bli omvekslet mellom en aktiv tilstand hvor reflektoren vil reflektere en del av det utspørrende lyssignalet inn i en retning motsatt den første retningen, og en inaktiv tilstand i hvilken det utspørrende lyssignalet kan forplante seg i alt vesentlig uhindret forbi reflektoren, og en fasefølsom detektor som er i stand til å måle fasemodulasjoner som er knyttet til hvert par av reflekterte signaler som har sin opprinnelse ved hver avføler.

3. System som angitt i krav 1 eller 2, karakter i-s e jr t_ Y. ec4,^ %£. hver ref lektor omfatter: et substrat bundet til hovedfiberet gjennom hvilket akustiske signaler kan forplante seg, og middel for å generere både en første akustisk bølge som vil forplante seg fra substratet inn i samvirkningsdelen hos hjQvedf i tierne, t for #e^ v,ex >4.r €0?Pl^t^at^Sv^r^. <0> Y <®> 4€^llf iiv^ nd^ e retning i en vinkel omtrentlig 45° relativt aksen, og en andre akustisk bølge som vil forplante seg fra substratet inn i samvirkningsdelen for derved å forplante seg i hovedfiberet i en tredje retning med en vinkel omtrentlig 45° relativt aksen og omtrentlig perpendikulær på den andre retningen.

4. System som angitt i krav 3, karakterisert ved at det akustiske bølgegenereringsmidlet omfatter en første transduser og en andre transduser, hvor hver av disse er bundet til substatratet og er i stand til selektivt å omveksles mellom en aktiv tilstand i hvilken transduseren genererer akustisk bølgeenergi og en inaktiv tilstand i hvilken transduseren ikke genererer noe akustisk bølgeenergi.

5. System som angitt i krav 4, karakterisert ved at den del av den første akustiske bølgen som forplanter seg gjennom samvirkningsdelen for hovedfiberet er en plan akustisk bølge som har frekvens f^ , og at den del av den andre akustiske bølgen som forplanter seg gjennom samvirkningsdelen for hovedfiberet er en plan akustisk bølge som har frekvens f 2, hvor f2 er forskjellig fra fl-

6. System som angitt i krav 3, karakterisert ved: at det akustiske bølgegenereringsmidlet omfatter en transduser som er bundet til substratet og er i stand selektivt å bli omvekslet mellom en aktiv tilstand i hvilken transduseren genererer akustisk bølgeenergi og en inaktiv tilstand i hvilken transduseren ikke genererer noen akustisk bølge-energi, hvor den første akustiske bølgen er en første del av den akustiske bølgeenergi generert av transduseren som forplanter seg inn i samvirkningsdelen, og at substratet har en overflate fra hvilken en andre del av den akustiske bølgeenergi generert av transduseren blir reflektert og deretter forplante seg inn i samvirkningsdelen, hvor den andre akustiske bølgen er den andre delen av den akustiske bølgeenergien.

7. System som angitt i krav 6, karakterisert ved: at den delen av den første akustiske bølgen som forplanter seg gjennom samvirkningsdelen for hovedfiberet er en plan akustisk bølge som har frekvens f 1, og at den delen av den andre akustiske bølgen som forplanter seg gjennom samvirkningsdelen for hovedfiberet er en plan akustisk bølge som også har frekvens f^ , hvor f^ = (2nV)/M\Q (kosinus 45°), hvor n er den optiske brytningsindeks for fiberet, V er hastigheten for den første akustiske bølgen i fiberet, Xq er fritt-roms bølgelengden for det utspørrende lyssignalet, og M er et positivt helt oddetall.

8. System som angitt I krav 3, karakterisert ved: at den delen av den første akustiske bølgen som forplanter seg gjennom samvirkningsdelen for hovedfiberet er en plan akustisk bølge som har frekvens f^ , og at den del av den akustiske bølge som forplanter seg gjennom samvirkningsdelen for fiberet er en plan akustisk bølge som også har frekven f^ , hvor f^ = (2nV)/MXg (kosinu 45°), hvor n er den optiske brytningsindeks for fiberet, V er hastigheten for den første akustiske bølgen i fiberet, Xq er fritt-roms bølgelengden for. lys_. som. -ønsies ^crei* Lekt erJt. ;av „ref.lek.to.ren ettersom lyset forplanter seg gjennom samvirkningsdelen hos fiberet, og M er et positivt helt oddetall.

9. Sy s t em. isximsangiiifejt i istkrav" ivli redaber ei2„ oirk arakteri-sert ved at hovedfiberet har optisk brytningsindeks, n, og at hver reflektor omfatter: a) et substrat bundet til hovedfiberet og som har en første overflate, og b) en akustisk transduser bundet til substratet og som er i stand til å generere plan akustisk bølgeenergi, hvor en første del av denne vil forplante seg gjennom substratet inn i hovedfiberet for derved å forplante seg i hovedfiberet som en første akustisk bølge i en andre retning omtrentlig 45° relativt aksen, og en andre del av hvilken akustisk bølgeenergi vil bli reflektert fra den første overflaten og så forplante seg gjennom substratet inn i fiberet for derved å forplante seg i hovedfiberet som en andre akustisk bølge i en tredje retning omtrentlig 45" relativt aksen og omtrentlig perpendikulært på den andre retningen.

10. System som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at hver reflektor omfatter: a) et substrat bundet til hovedfiberet, gjennom hvilket akustiske signaler kan forplante seg, b) en første transduser bundet til substratet og som er i stand til å generere en første akustisk bølge som vil forplante seg gjennom substratet inn i en samvirkningsdel hos hovedfiberet slik at den første akustiske bølge forplanter seg i hovedfiberet i en andre retning med en retning med en vinkel omtrentlig 45° relativt aksen, og c) en andre transduser bundet til substratet og som er i stand til å generere en andre akustisk bølge som vil forplante seg gjennom substratet inn i samvirkningsgraden slik at den andre akustiske bølgen forplanter seg i hovedfiberet i en tredje retning med en vinkel omtrentlig 45° relativt aksen og omtrentlig perpendikulært på den andre retningen.

11. System som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at detektoren er et kompenserende referanseben interferometer.

12. System som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at detektoren omfatter: en første direktiv kopler koplet til hovedfiberet, et andre optisk fiber som har en første ende og en andre ende, koplet til den første direkte kopleren slik at de reflekterte lyssignaler vil forplante seg fra hovedfiberet gjennom den første direktive kopleren og inn i den første enden av det andre fiberet, en andre direktiv kopler festet til den andre enden av det andre fiberet, et referanse optisk fiber ved lengde 2L + M og som har en første ende koplet til en utgangsport på den andre direktive kopleren, et kort optisk fiber av lengde M og som har en første ende koplet til en andre utgangsport på den andre direktive kopleren, en tredje direktiv kopler som har to inngangsporter, hvor en inngangsport er koplet til en andre ende på referansefiberet og den andre er koplet til en andre ende av det korte fiberet, og en fotodetektor koplet til en utgangsport på den tredje direktive kopleren.

13. Datasamlingssystem erk.-ca>- i&iA>&i!et.~ A---.r ims e Baifcv i ?Kn§nåi r r- a a er et optisk hovedfiber som har en langsgående akse og en første ende og en andre ende, en lyskilde som er i stand til å sende inn i den første enden av hovedfiberet et utspørrende lyssignal som forplanter seg i en første retning langs hovedfiberets langsgående akse, et antall avfølere som er plassert ved adskilte steder langs hovedfiberet, idet hver avføler innbefatter et par av selektivt aktiverbare reflektorer, hvor hver reflektor er i stand til å reflektere en del av det utspørrende lyssignalet i en retning motsatt den første retningen, men kun når nevnte reflektor er i en aktivert tilstand, og middel for å måle fasen som er knyttet til hvert par av reflekterte signaler som har sin opprinnelse ved en av avfølerne.

14 . System som angitt i krav 1, 2 eller 13, karakterisert ved at detektoren omfatter: en første direktiv kopler som er koplet til hovedfiberet, et andre optisk fiber som har en første ende og en andre ende, og er koplet til den første direktive kopleren på en slik måte at de reflekterte lyssignaler vil forplante seg fra hovedfiberet gjennom den første direktive kopleren og inn i den første enden av det andre fiberet, en Bragg-celle koplet til den andre enden av det andre fiberet, et optisk referansefiber med lengde 2L + M koplet til Bragg-cellen på en slik måte at frekvensforskjøvet lys som er omdirigert i Bragg-cellen forplanter seg inn i det optiske referansefiberet, et kort optisk fiber med lengde M koplet til Bragg-cellen på slik måte at lys som ikke omdirigeres i Bragg-cellen forplanter seg inn i det korte optiske fiberet, en andre direktiv kopler som har to inngangsporter, en koplet til referansefiberet og den andre koplet til det korte fiberet, og en fotodetektor koplet til en utgangsport på den andre direktive kopleren.

15. System som angitt i krav 1, 2 eller 13, karakterisert ved at den fasefølsomme detektoren omfatter: en første direktiv kopler koplet til hovedfiberet, et andre optisk fiber, som har en første ende og en andre ende, og er koplet til den første direktive kopleren på en slik måte at de reflekterte lyssignalene vil forplante seg fra hovedfiberet gjennom den første direktive kopleren og inn i den første enden hos det andre fiberet, en andre direktiv kopler som har en inngangsport koplet til den andre enden hos det andre fiberet og har to utgangs-porter, et optisk referansefiber med lengde 2L + M, hvor en første ende av dette er koplet til en første utgangsport på den andre kopleren, et kort optisk fiber med lengde M, hvor en første ende av dette er koplet til en andre utgangsport på den andre kopleren, en tredje direktiv kopler som har to inngangsporter, en koplet til en andre ende på referansef iberet og den andre koplet til en andre ende på det korte fiberet, og en fotodetektor koplet til en utgangsport på den tredje direktive kopleren.