Системы и способы опроса параметров во множестве мест в образце
Группа изобретений относится к оптической измерительной технике. Система (100) для опроса одного или нескольких параметров во множестве мест в образце (108) содержит первый сверхбыстрый лазерный источник (102), сконфигурированный для подачи первого множества импульсов, причем первый источник (102) сконфигурирован для подачи гребенки частот, имеющих первую частоту повторения, при этом первое множество импульсов взаимодействует с образцом (108) во множестве мест в образце (108) для получения обработанных импульсов. Также система содержит второй сверхбыстрый лазерный источник (104), сконфигурированный для подачи второго множества импульсов, причем второй источник (104) сконфигурирован для подачи гребенки частот, имеющих вторую частоту повторения, которая отличается от первой частоты повторения. Кроме того, система содержит опорное устройство (110), выполненное с возможностью подачи опорных импульсов, имеющих переменную временную задержку, переменную задержку по фазе, переменную разность хода, или их комбинаций; блок (124) детектора, сконфигурированный для детектирования обработанных импульсов от первого и второго источников (102 и 104) и опорных импульсов; и блок (128) обработки данных, сконфигурированный для обработки детектируемых импульсов и выполнения измерений одного или нескольких параметров для множества мест в образце (108). Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения разрешения и ускорении процесса измерения. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.
Предпосылки создания изобретения
[0001] Формы осуществления описываемого изобретения относятся к системам и способам для распределенных измерений одного или нескольких параметров. В частности, системы и способы относятся к распределенным измерениям с использованием оптической технологии.
[0002] Обычно в больших газовых камерах или в оптически прозрачных образцах поглощение падающего оптического излучения измеряется как общее количество проходящего через образец оптического излучения. Желательно разработать оптические способы, которые могут предоставить распределение множества параметров, таких как температура газов, концентрация газов и/или давление газов внутри камеры, или измерение пространственно распределенного спектра высокого разрешения.
[0003] Применение импульсов оптического диапазона - это оптическая технология, которая используется для кодирования информации, относящейся к передаче по волоконно-оптическим линиям, определения физических свойств молекул в образцах и тому подобного. Идентификация свойств образца с использованием частотных импульсов основана на длительности и стабильности импульсов на желаемых частотах для получения конкретного разрешения образца. Как правило, интерферометрические измерения используются для оптического анализа образцов. Однако обычно интерферометрические измерения приводят к уменьшению разрешения в пространстве и времени из-за ограничений по длительности импульсов, частоте повторения импульсов, диапазону спектра и тому подобному. Применение импульсов оптической частоты для передачи информации использует относительно широкую полосу частот отдельных частотных импульсов, что приводит к перекрытию импульсов на больших расстояниях передачи. Понятно, что, когда частотные импульсы распространяются вдоль волоконно-оптической линии, ширина импульса увеличивается. После определенного расстояния перекрытие частотных линий из-за увеличения ширины импульса приводит к потере цифрового информационного содержимого. Кроме того, трудно генерировать множество разных близко расположенных частот, что ограничивает разрешение сигнала при посылке импульсов оптической частоты.
Сущность изобретения
[0004] В одной форме осуществления изобретения предлагается система для опроса одного или нескольких параметров во множестве мест в образце. Система содержит первый сверхбыстрый лазерный источник и второй сверхбыстрый источник, сконфигурированные для подачи первого множества импульсов и второго множества импульсов, соответственно, в пикосекундном временном диапазоне или диапазоне более коротких длительностей. Кроме того, первый и второй сверхбыстрые лазерные источники сконфигурированы для подачи гребенок частот, имеющих первую и вторую частоту повторения, соответственно, где вторая частота повторения отличается от первой частоты повторения. Кроме того, первое множество импульсов взаимодействует с образцом во множестве мест в образце для получения обработанных импульсов. Кроме того, система содержит опорное устройство, выполненное для подачи опорных импульсов, имеющих переменную временную задержку, переменную задержку по фазе, переменную разность оптических длин путей, или их комбинации. Кроме того, система содержит блок детектора, сконфигурированный для детектирования по меньшей мере части обработанных импульсов от первого сверхбыстрого лазерного источника, второго множества импульсов от второго сверхбыстрого лазерного источника и опорных импульсов. Система содержит также блок обработки данных, сконфигурированный для обработки детектируемых импульсов и выполнения измерений одного или нескольких параметров для множества мест в образце.
[0005] В другой форме осуществления изобретения предлагается система для опроса одного или нескольких параметров во множестве мест в образце. Система содержит первый фемтосекундный лазерный источник и второй фемтосекундный лазерный источник, сконфигурированные для подачи первого множества импульсов и второго множества импульсов, соответственно, в пикосекундном временном диапазоне или диапазоне более коротких длительностей. Кроме того, первый и второй фемтосекундные лазерные источники сконфигурированы для подачи гребенок частот, имеющих первую и вторую частоты повторения, соответственно, где вторая частота повторения отличается от первой частоты повторения. Кроме того, первое множество импульсов взаимодействует с образцом во множестве мест в образце для получения обработанных импульсов. Система также содержит опорное устройство, выполненное для подачи опорных импульсов, имеющих переменную временную задержку, переменную задержку по фазе, переменную разность хода или их комбинации. Кроме того, система содержит блок детектора, сконфигурированный для детектирования по меньшей мере части обработанных импульсов от первого фемтосекундного лазерного источника, второго множества импульсов от второго фемтосекундного лазерного источника и опорных импульсов. Кроме того, система содержит блок обработки данных, сконфигурированный для обработки детектируемых импульсов и выполнения измерений одного или нескольких параметров для множества мест в образце.
[0006] В еще одной форме осуществления изобретения способ включает в себя подачу первого множества импульсов в пикосекундном временном диапазоне или диапазоне более коротких длительностей и гребенки частот, имеющих первую частоту повторения. Кроме того, способ включает в себя взаимодействие части первого множества импульсов во множестве мест в образце для получения обработанных импульсов. Способ также включает в себя введение переменной временной задержки, переменной задержки по фазе, переменной разности хода или их комбинаций в другую часть первого множества импульсов для получения опорных импульсов и подачу второго множества импульсов в пикосекундном временном диапазоне или диапазоне более коротких длительностей, и гребенки частот, имеющих вторую частоту повторения, которая отличается от первой частоты повторения. Кроме того, способ включает в себя детектирование по меньшей мере части обработанных импульсов от первого сверхбыстрого лазерного источника, второго множества импульсов от второго сверхбыстрого лазерного источника и опорных импульсов. Способ также включает обработку детектируемых импульсов для выполнения измерения одного или нескольких параметров для множества мест в образце.
Перечень чертежей
[0007] Эти и другие отличительные признаки и аспекты форм осуществления изобретения станут более понятными после прочтения следующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые символы представляют одинаковые части на всех чертежах и на которых:
[0008] Фиг. 1 является схематическим представлением системы для распределенного измерения образца для опроса одного или нескольких параметров во множестве мест в образце в соответствии с аспектами описания изобретения.
[0009] Фиг. 2(a)-2(i) - графические иллюстрации распределенных измерений с использованием системы по фиг. 1, в соответствии с аспектами описания изобретения.
[0010] Фиг. 3 - схематическое представление системы для распределенных измерений на большом расстоянии во множестве мест в образце в соответствии с аспектами описания изобретения.
[0011] Фиг. 4 - пример блок-схемы последовательности операций способа для распределенных измерений для множества мест в образце.
Подробное описание
[0012] В некоторых формах осуществления описания изобретения предлагаются системы и способы для распределенного измерения одного или нескольких параметров образца. В некоторых других формах осуществления описания распределенное измерение поглощения, пропускания, отражения, фазового спектра или комбинаций может использоваться для определения одного или нескольких параметров, но не ограничиваясь ими, таких как концентрация, давление, температура и химический состав в одном или несколько местах в образце. Кроме того, в некоторых формах осуществления изобретения, системы могут быть сконфигурированы для проведения распределенных измерений на коротких расстояниях, распределенных измерений на больших расстояниях или их обоих. В одном примере распределенное измерение может выполняться в образце для определения химического состава образца в двух или более местах в образце. В другой форме осуществления изобретения распределенное измерение может выполняться для определения температуры образца в двух или более местах в образце.
[0013] В некоторых формах осуществления изобретения системы и способы могут использоваться для многопараметрического измерения с высоким пространственным разрешением наряду с разрешением по длине волны. Например, системы и способы могут использоваться для пространственного профилирования газа, нефти, воды или их комбинаций в скважинных системах, измерения концентрации газа в пространстве, например, в выхлопе газовой турбины, мониторинга состояния покрытий, таких как, термобарьерные покрытия на лопатках турбин, но не ограничиваясь этим.
[0014] В некоторых формах осуществления предлагается система для распределенного измерения образца для опроса или исследования одного или нескольких параметров во множестве мест в образце. Система содержит первый сверхбыстрый лазерный источник, сконфигурированный для подачи гребенки частот, имеющей первую частоту повторения. Первый сверхбыстрый лазерный источник сконфигурирован для подачи первого множества импульсов в пикосекундном временном диапазоне или в диапазоне более коротких длительностей, для взаимодействия с одним или несколькими местами из множества мест образца для получения обработанных импульсов. Система также содержит второй сверхбыстрый лазерный источник, который сконфигурирован для подачи гребенки частот со второй частотой повторения, которая отличается от первой частоты повторения. Второй сверхбыстрый лазерный источник сконфигурирован для подачи второго множества импульсов в пикосекундном временном диапазоне или в диапазоне более коротких длительностей. Разница между частотами повторения первого и второго сверхбыстрых лазерных источников может быть основана на параметре системы. Кроме того, разница между частотами повторения первого и второго сверхбыстрых лазерных источников определяет диапазон спектра, который может быть измерен. Например, если разность в частотах повторения ниже определенного значения, измеряемый диапазон спектра может быть уже, чем диапазон спектра, который измеряется, если разность в частотах повторения выше определенного значения.
[0015] Система также содержит блок детектора, который сконфигурирован для детектирования по меньшей мере части обработанных импульсов и по меньшей мере части второго множества импульсов. Кроме того, система содержит блок обработки данных, сконфигурированный для обработки детектируемых импульсов и выполнения измерений одного или нескольких параметров, соответствующих множеству мест в образце.
[0016] В некоторых формах осуществления изобретения способы и системы могут использоваться для выполнения распределенного измерения множества параметров, чтобы способствовать оптимизации эксплуатации, такой как, эксплуатация газовой турбины, но не ограничиваясь этим. Например, распределенное измерение множества параметров облегчает идентификацию горячих точек в газовой турбине, уменьшение вредных выбросов из газовой турбины, обнаружение примесей в материалах термобарьерных покрытий лопаток турбины и т.п., или их комбинаций. Кроме того, способы и системы могут предусматривать измерения для образцов, имеющих одну или несколько фаз, таких как две или более из твердой, жидкой и газообразной фаз. Системы и способы сконфигурированы для измерения широкополосного спектра высокого разрешения и применяются в исследованиях окружающей среды, где образцы могут находиться в одной или нескольких фазах, таких как твердая, жидкая и газообразная фазы. Кроме того, в способах и системах используются синхронизированные сверхбыстрые лазерные источники, которые обеспечивают распределенные измерения на больших расстояниях.
[0017] Фиг. 1 иллюстрирует пример системы для распределенного измерения образца для опроса одного или нескольких параметров во множестве мест в образце. В показанной форме осуществления изобретения система 100 содержит интерферометрическую конфигурацию, которая использует плечо с образцом и опорное плечо. Термин "плечо с образцом" используется для обозначения плеча или части системы 100, которая включает в себя образец, а термин "опорное плечо" используется для обозначения плеча или части системы 100, которая включает в себя опорное устройство.
[0018] В представленной форме осуществления изобретения система 100 содержит первый сверхбыстрый лазерный источник 102, второй сверхбыстрый лазерный источник 104 и опорное устройство 110. Первый и второй сверхбыстрые лазерные источники 102 и 104 сконфигурированы для подачи первого и второго множества импульсов, соответственно. Первый и второй сверхбыстрые лазерные источники 102 и 104 характеризуются их индивидуальными гребенками частот и частотами повторения. Опорное устройство 110 функционально соединено с первым лазерным источником 102 и выполнено с возможностью подачи опорных импульсов, которые имеют временную задержку, задержку по фазе или разность оптических длин путей относительно импульсов первого лазерного источника 102.
[0019] В одной форме осуществления изобретения, разность частот первого и второго сверхбыстрых лазерных источников 102 и 104 может быть больше, чем ширина линии некоторой заданной линии гребенки частот сверхбыстрых лазерных источников 102 и 104. Кроме того, разница частот первого и второго сверхбыстрых лазерных источников 102 и 104 может составлять менее половины частоты повторения сверхбыстрых лазерных источников 102 и 104.
[0020] В некоторых примерах сверхбыстрые лазерные источники 102 и 104 могут быть пико- или фемтосекундными лазерными источниками. Использование пико- или фемтосекундных лазерных источников в системе 100 приводит к относительно более высокому пространственному разрешению по сравнению с использованием лазерных источников, которые излучают оптические импульсы с длительностями, превышающими пикосекунды. Частоты повторения первого и второго сверхбыстрых лазерных источников 102 и 104 различны. В одном примере частота повторения первого сверхбыстрого лазерного источника 102 упоминается как "первая частота повторения", а частота повторения второго сверхбыстрого лазерного источника 104 упоминается как "вторая частота повторения" (fr+/-df). В частности, первая и вторая частоты повторения различны. Разница частот повторения первого и второго сверхбыстрых лазерных источников 102 и 104 представлена значением df, где df - это отношение, которое представляет пространственное распределение длительности лазерных импульсов для конкретной частоты повторения сверхбыстрого лазерного источника. Частота повторения может быть определена на основе необходимого спектрального разрешения. В одной форме осуществления изобретения значение df может быть представлено уравнением (1) как:
где с представляет скорость света, a fr представляет частоту повторения первого сверхбыстрого лазерного источника 102.
[0021] Можно отметить, что оптические пути для множества импульсов от сверхбыстрых лазерных источников 102 и 104 могут быть сформированы с оптическими волокнами или без них. В одной форме осуществления изобретения оптическое волокно может быть функционально связано с первым сверхбыстрым лазерным источником 102 так, что по меньшей мере часть первого множества импульсов проходит по меньшей мере через часть оптического волокна. В той же или других формах осуществления оптическое волокно может быть функционально связано со вторым сверхбыстрым лазерным источником 104 так, что по меньшей мере часть второго множества импульсов проходит по меньшей мере через часть оптического волокна. В некоторых формах осуществления изобретения в оптической конфигурации по фиг. 1 и 3 настоящей заявки, первое, второе и/или третье множество импульсов от первого, второго и/или третьего сверхбыстрых лазерных источников 302, 304 и 306, соответственно, может проходить через окружающую атмосферу (например, воздух) или оптическое волокно. В формах осуществления изобретения, где различное множество импульсов проходит через оптическое волокно, соединительные линии между различными компонентами систем 100 и 300 могут представлять собой оптические волокна.
[0022] Первый сверхбыстрый лазерный источник 102 функционально связан с опорным устройством 110. В качестве неограничивающего примера, опорное устройство 110 может быть устройством задержки по времени, таким как зеркало. Другие неограничивающие примеры опорных устройств могут включать в себя генераторы разности фаз или задержки, генераторы разности хода, жидкокристаллические устройства, микроматрицы, микроэлектромеханическую систему (Micro Electro Mechanical System, MEMS) или любые другие оптические структуры, которые сконфигурированы для введения временной задержки, задержки по фазе или разности фаз, или разности оптических длин путей в путь оптического излучения, например, в системе 100. Опорное плечо, в общем представленное ссылочной позицией 112, содержит опорное устройство 110, например, опорное зеркало. Кроме того, плечо с образцом, в общем представленное ссылочной позицией 114, содержит образец 108 и оптический путь, который ведет к образцу 108. Опорное устройство 110 сконфигурировано для обеспечения временной задержки между оптическими импульсами, распространяющимися в опорном плече 112 и оптическими импульсами, распространяющимися в плече 114 с образцом, чтобы создать необходимую интерференцию между импульсами в двух плечах 112 и 114.
[0023] В некоторых формах осуществления опорное устройство может быть выполнено с возможностью введения временной задержки, задержки или разности по фазе, или разности оптических длин путей в часть первого множества импульсов, подаваемых первым сверхбыстрым лазерным источником 102. Кроме того, временная задержка, задержка по фазе или разность оптических длин путей могут изменяться во времени. В частности, временная задержка, задержка по фазе, разность хода, вводимые опорным устройством 110 в часть первого множества импульсов, таковы, что эти задержки и разности могут изменяться в соответствии с местом в образце, которое должно быть опрошено. В качестве примера, в показанной форме осуществления изобретения, если опорное устройство 110 представляет собой устройство временной задержки, такое как зеркало, зеркало может быть выполнено с возможностью перемещения вдоль оптического пути, представленного ссылочной позицией 111, чтобы вводить переменное время задержки в путь части первого множества импульсов от первого сверхбыстрого лазерного источника 102. Эта часть первого множества импульсов называется опорными импульсами. Кроме того, скорость или частоту движений устройства временной задержки можно регулировать на основе необходимой скорости сканирования, при которой необходимо сканировать различные места образца 108. Кроме того, временная задержка, задержка по фазе или разность хода, вводимые опорным устройством 10, могут регулироваться, чтобы соответствовать пространственному разрешению образца 108. Можно отметить, что минимальное пространственное разрешение для сканирования образца 108 может быть подобно длительности импульса лазерных источников 102 и 104.
[0024] Система дополнительно содержит светоделители 116 и 117. В неограничивающем примере светоделитель 116 может быть, например, светоделителем 50:50. Светоделитель 116 выполнен с возможностью разделения излучения, распространяющегося от первого сверхбыстрого лазерного источника 102, по меньшей мере на 2 части таким образом, что первая часть излучения проходит к опорному устройству 110, а вторая часть излучения проходит к образцу 108. Кроме того, как в опорном плече 112, так и в плече 114 с образцом могут использоваться коллиматоры 120 и 122. Коллиматоры 120 и 122 могут быть похожи друг на друга по функции и структуре или могут быть разными. Коллиматор 120 коллимирует и направляет излучение к опорному устройству 110; задержанное излучение от опорного устройства 110 принимается коллиматором 120 обратно. Аналогично, коллиматор 122 коллимирует и направляет излучение к образцу 108 для взаимодействия излучения по меньшей мере с частью образца 108 и для сбора обработанных импульсов или взаимодействующих импульсов.
[0025] Во время работы часть опорных импульсов, таких как импульсы с задержкой по времени, от первого сверхбыстрого лазерного источника 102 могут взаимодействовать с одним или несколькими местами образца в заданный момент времени. Места 130, 132, 134 и 136 образца опрашиваются или зондируются на основе показателя преломления среды образца 108. В одном примере, где опорное устройство 110 является устройством временной задержки, таким как опорное зеркало, расстояние перемещения опорного зеркала вдоль оптического пути, который проходит вдоль направления 111, может определять величину оптической задержки или разности хода, вводимую в плечо с образцом, или того и другого. В одной форме осуществления изобретения опорное зеркало может быть соединено с двигателем (не показанным на фиг. 1) для осуществления перемещения зеркала. В других примерах, когда пьезоэлектрическое устройство или зеркало системы MEMS используется в качестве опорного устройства 110, электрический ток может подаваться для опорного устройства, чтобы осуществлять необходимое перемещение опорного устройства 110 для обеспечения соответствующей временной задержки или задержки по фазе в конкретном моменте времени.
[0026] Взаимодействующие импульсы от образца 108 в плече 114 с образцом и опорные (например, с временной задержкой) импульсы от опорного плеча 112 могут интерферировать с импульсами от второго сверхбыстрого лазерного источника 104. Эта интерференция импульсов детектируется с использованием блока 124 детектирования. В одном примере блок 124 детектора может быть высокочастотным детектором.
[0027] Кроме того, система использует блок 128 обработки данных для обработки комбинированного излучения, принимаемого в блоке 124 детектора. Используемый здесь термин "блок обработки данных" относится к процессору, имеющему интегральные схемы, включенные в компьютер, а также к контроллеру, микроконтроллеру, микрокомпьютеру, программируемому логическому контроллеру (Programmable Logic Controller, PLC), специализированным микропроцессорам, процессорам цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processor, DSP), специализированным интегральным схемам (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), программируемым пользователем вентильным матрицам (Field Programmable Gate Array, FPGA) и/или любым другим программируемым схемам. В некоторых формах осуществления блок 128 обработки данных может быть связан с запоминающим устройством (устройствами) или может содержать его (не показанное на фиг. 1). Запоминающее устройство (устройства) могут обычно содержать элемент(-ы) памяти, включая, но не ограничиваясь этим, машиночитаемый носитель (например, оперативное запоминающее устройство (Random Access Memory, RAM), машиночитаемый энергонезависимый носитель (например, флэш-память), один или несколько жестких дисков, дискету, компакт-диск только для чтения (Compact Disk-Read Only Memory, CD-ROM), запоминающее устройство на компакт-диске для чтения/записи (Compact Disk-Read/Write, CD-R/W), магнитооптический диск (Magneto-Optical Disk, MOD), цифровой универсальный диск (Digital Versatile Disc, DVD), флэш-накопители, накопители на оптических дисках, полупроводниковые запоминающие устройства и/или другие подходящие элементы памяти. Детектируемое излучение, обрабатываемое блоком 128 обработки данных, может предоставлять данные, которые представляют распределенные измерения одного или нескольких параметров образца, как описано далее на фиг. 2(a)-2(h). Кроме того, способ работы системы 100 по фиг. 1 будет описан со ссылкой на фиг. 2(a)-2(h).
[0028] На фиг. 2(a)-2(h) показана интерференция импульсов от опорного плеча, например, опорного плеча 112 на фиг. 1, и плеча с образцом, например, плеча 114 с образцом на фиг. 1. На фиг. 2(a)-2(f) ордината 202 представляет интенсивность импульсов оптического излучения. Кроме того, на фиг. 2(a)-2(f) абсцисса 204 представляет время, на фиг. 2(g)-2(h) абсцисса 206 представляет частоту импульсов, а ордината 208 представляет амплитуду импульсов. В частности, фиг. 2(a) представляет опорные импульсы (IR) или импульсы от опорного плеча 112. В определенный момент времени положение опорного устройства 110, такое как местоположение устройства временной задержки вдоль направления 111, выбирают таким образом, что выбираются одно или несколько мест образца в конкретном месте (или глубине) вдоль длины оптического пути. Фиг. 2(b) представляет импульсы (IS) от плеча 114 с образцом, которые соответствуют местам образца X1, Х2, Х3 и Х4, представленным на фиг. 1 ссылочными позициями 130, 132, 134 и 136, соответственно. В частности, импульсы, которые возвращаются после взаимодействия с позицией X1 130 образца, обозначены ссылочными позициями 212, а импульсы, возвратившиеся из места Х2 132 образца, обозначены ссылочными позициями 214. Аналогично, импульсы, возвращающиеся из мест образца Х3 134 и Х4 136, обозначены ссылочными позициями 216 и 218. Следует отметить, что образец 108 может иметь меньше или больше 4 мест, которые необходимо детектировать для распределенного измерения.
[0029] Фиг. 2(c) представляет второе множество импульсов 210, которые поступают от второго сверхбыстрого лазерного источника 104. Фиг. 2(d) представляет собой объединенные импульсы от опорного устройства 110, образца 108 и импульсы от второго сверхбыстрого лазерного источника 104 в блоке 124 детектора. В частности, фиг. 2(d) представляет собой суммирование опорных импульсов (IR) от опорного плеча 112, второго множества импульсов от второго сверхбыстрого лазерного источника 104 и обрабатываемых или взаимодействующих импульсов от множества мест, таких как места X1, Х2, Х3, Х4 130-136 в образце 108; эти импульсы имеют возможность интерферировать. В одной форме осуществления изобретения блок 124 детектора сконфигурирован для выполнения нелинейных операций, чтобы получать сигнал интерферограммы (ID), как представлено ниже в уравнении (2):
где ID обозначает сигнал интерферограммы, IR - опорные импульсы от опорного плеча, Is - импульсы от плеча с образцом, и IL - второе множество импульсов от второго сверхбыстрого лазерного источника 104.
[0030] Перемножение импульсов из разных мест X1, Х2, Х3, Х4, 130-136 и импульсов (IR) от опорного плеча 112 заставляет сигналы, отличные от тех сигналов, которые имеют ту же самую длину пути, что и импульсы от опорного плеча 112, уменьшиться до нуля. Соответственно, как показано на фиг. 2(e), когда опора перемещается так, что длина пути опоры перекрывается с сигналами из X1 130, сигнал интерферограммы (ID) включает в себя интерферограмму сигнала из места X1 130 в образце 108. Аналогично генерируемые сигналы интерферограммы для Х2 132 показаны на фиг. 2(e). Кроме того, интерферограммы сигналов из других мест Х3 и Х4, 134 и 136, могут быть получены путем соответствующего регулировки опорного устройства 110, например, путем перемещения опорного зеркала.
[0031] На фиг. 2(g)-2(h) показано преобразование Фурье сигналов интерферограммы, соответствующих положениям XI 130 и Х2 132. Соответственно, импульсы, обозначенные ссылочными позициями 230 и 232, представляют преобразования Фурье сигналов из положений XI и Х2 образца. Преобразования Фурье, такие как преобразования Фурье 230 и 232, используются для формирования профиля поглощения образца 108, соответствующего этим местам образца, как показано на фиг. 2(i). Уравнение (3) представляет профиль поглощения в месте Х2 как:
где, A(z) обозначает абсолютное значение поглощения в месте z в образце и C(z) обозначает значение накопленного поглощения в месте z, и C(z-Δz) обозначает накопленное поглощение в месте z-Δz, где место z-Δz находится непосредственно перед местом n на пути оптических импульсов. Например, если z представляет место Х2, z-Δz может представлять место X1. Профиль поглощения, представленный на фиг. 2(i) содержит пик 244 и имеет абсциссу 240, которая представляет длину волны, и ординату 242, которая представляет значения поглощения. В некоторых формах осуществления изобретения высота, ширина и положение пика, такого как пик 244 в профиле поглощения, могут использоваться для измерения различных параметров, таких как температура, давление, концентрация, состав и тому подобное, но не ограничиваясь этим. В показанном примере высота 246 пика 244 представляет концентрацию конкретного вещества или концентрацию образца 108 в целом. Кроме того, ширина 248 и положение 250 пика 244 представляют соответственно температуру и давление образца 108 в этом конкретном месте. Распределенные измерения могут быть выполнены в нескольких местах в образце с пространственным разрешением, которое пропорционально длительности импульса ультрабыстрых лазерных источников 102 и 104.
[0032] В некоторых формах осуществления система 100 сконфигурирована для измерений на коротких расстояниях в диапазоне от примерно 100 микрон до нескольких сантиметров и для измерений на больших расстояниях в диапазоне от примерно нескольких сантиметров до нескольких километров. Кроме того, в некоторых других формах осуществления система 100 является применимой примерно до c/fr лазера, где с - скорость света, a fr - частота повторения сверхбыстрого лазерного источника. В некоторых других формах осуществления системы и способы по настоящей заявке могут быть сконфигурированы для распределенных измерений на больших расстояниях, таких как нефте- и газопроводы.
[0033] Фиг. 3 иллюстрирует другой пример системы 300 для распределенных измерений множества мест в образце. Кроме того, система 300 сконфигурирована для измерений на больших расстояниях, таких как, применениях в скважине, пространственное профилирование газа, нефти, воды в скважинных системах, пространственные измерения концентрации газа в выхлопе газовой турбины, но не ограничиваясь этим, и мониторинга работоспособности покрытий, таких как термобарьерные покрытия на лопатках турбин, но не ограничиваясь ими. Система 300 содержит первый, второй и третий сверхбыстрые лазерные источники 302, 304 и 306, сконфигурированные для подачи первого, второго и третьего множества импульсов. В неограничивающем примере первый, второй и третий сверхбыстрые лазерные источники 302, 304 и 306 являются фемтосекундными лазерными источниками. В некоторых формах осуществления сверхбыстрые лазерные источники 302, 304 и 306 могут иметь функциональную связь с другими компонентами системы 300 через одно или несколько оптических волокон. В одной форме осуществления изобретения оптическое волокно может быть функционально связано с первым сверхбыстрым лазерным источником 302 так, что по меньшей мере часть первого множества импульсов проходит по меньшей мере через часть оптического волокна.
[0034] Кроме того, сверхбыстрые лазерные источники 302 и 306 функционально связаны с генератором 308 опорных синхроимпульсов для синхронизации двух источников 302 и 306 относительно друг друга. Кроме того, опорное устройство, такое как генератор 310 задержки по фазе, соединено с одним из первого и третьего сверхбыстрых лазерных источников 302 и 306. В рассматриваемом в настоящее время примере, где генератор 310 задержки по фазе связан с третьим сверхбыстрым лазерным источником 306, задержка по фазе, вводимая генератором 310 задержки по фазе в третье множество импульсов третьего сверхбыстрого лазерного источника 306, в свою очередь, вводит задержку по фазе в генераторе 308 опорных синхроимпульсов. Кроме того, задержка по фазе, введенная в третьем множестве импульсов генератором 310 задержки по фазе, приводит к временной задержке, вводимой в третьем множестве импульсов по отношению к первому множеству импульсов от первого сверхбыстрого лазерного источника 302. Третий сверхбыстрый лазерный источник 306 вместе с генератором 308 опорных синхроимпульсов действует как опорное плечо для подачи опорных импульсов.
[0035] При работе первое множество импульсов от первого сверхбыстрого лазерного источника 302 пропускается через циркулятор 312, и часть 315 из первого множества импульсов, которые пропускаются через циркулятор 312, используется для опроса образца 314. Коллиматор 316 используется для коллимирования импульсов 315, проходящих через циркулятор 312 к образцу 314. Различные места образца в направлении 326 импульсов от коллиматора 316 обозначены как XI 318, Х2 320, ХЗ 322 и Х4 324. После взаимодействия с образцом 314 взаимодействующие импульсы объединяются с третьим множеством импульсов с использованием объединителя 328. Объединенные импульсы затем дополнительно объединяются со вторым множеством импульсов от второго сверхбыстрого лазерного источника 304 с использованием другого объединителя 330 для формирования результирующих импульсов. Частоты повторения первого и третьего сверхбыстрых лазерных источников 302 и 306 одинаковы. Кроме того, частоты повторения первого и третьего сверхбыстрых лазерных источников 302 и 306 относительно отличаются от частоты повторения второго источника 304.
[0036] Результирующие импульсы детектируются блоком 332 детектора и обрабатываются с использованием блока 334 обработки данных. Результаты, такие как показанные на фиг. 2(a)-2(i), могут отображаться на дисплее 336, таком как монитор, сенсорный экран и тому подобное.
[0037] Фиг. 4 иллюстрирует примерную блок-схему 400 последовательности операций для способа распределенного измерения во множестве мест в образце, чтобы определять один или несколько параметров образца. На этапе 402 способ начинается с подачи первого множества импульсов в пикосекундном временном диапазоне или диапазоне более коротких длительностей и гребенки частот, имеющих первую частоту повторения. На этапе 404 часть первого множества импульсов имеет возможность взаимодействовать во множестве мест в образце для получения обработанных импульсов. На этапе 406 переменная временная задержка, переменная задержка по фазе, переменная разность хода или их комбинации вводятся в другую часть первого множества импульсов, чтобы формировать опорные импульсы. На этапе 408 подается второе множество импульсов в пикосекундном временном диапазоне или диапазоне более коротких длительностей, и гребенка частот, имеющих вторую частоту повторения. Вторая частота повторения отличается от первой частоты повторения.
[0038] На этапе 410 по меньшей мере часть обработанных импульсов от первого сверхбыстрого лазерного источника, второе множество импульсов от второго сверхбыстрого лазерного источника и опорные импульсы детектируются детектором. В блоке 412 детектируемые импульсы обрабатываются, чтобы выполнить измерения одного или нескольких параметров для множества мест в образце.
[0039] В некоторых формах осуществления изобретения также может быть предусмотрено третье множество импульсов. В этих формах осуществления изобретения временная задержка, задержка по фазе или разность хода могут вводиться в одно из первого или третьего множества импульсов. Кроме того, первое и третье множества импульсов могут быть синхронизированы. Кроме того, обрабатываемые импульсы могут объединяться с третьим множеством импульсов.
[0040] Системы 100 и 300 по фиг. 1 и 3 и способы по фиг. 2(a)-2(i) и фиг. 4 сконфигурированы для определения многих веществ. В качестве примера, при опросе газообразного образца различные газы, присутствующие в газообразном образце, могут обнаруживаться с использованием систем и способов настоящей заявки. Системы и способы согласно настоящей заявке обеспечивают высокое разрешение и более быстрое измерение. Зондирование с высоким разрешением позволяет идентифицировать несколько материалов одновременно. Кроме того, системы и способы настоящей заявки обеспечивают полный оптический спектр для определения множества параметров, вместо того, чтобы измерять эти параметры индивидуально. Кроме того, широкополосное и когерентное выходное излучение гребенок частот также обеспечивает высокие отношения сигнал/шум. Также короткие длительности импульсов сверхбыстрых лазеров обеспечивают высокое пространственное разрешение.
[0041] Хотя только некоторые признаки изобретения были проиллюстрированы и описаны в данном документе, специалистами в данной области техники могут быть предложены множество модификаций и изменений. Следовательно, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций и изменений, которые входят в объем изобретения.
1. Система (100) для опроса одного или нескольких параметров во множестве мест в образце (108), содержащая:
первый сверхбыстрый лазерный источник (102), сконфигурированный для подачи первого множества импульсов в пикосекундном временном диапазоне или диапазоне более коротких длительностей, причем первый сверхбыстрый лазерный источник (102) сконфигурирован для подачи гребенки частот, имеющих первую частоту повторения, при этом первое множество импульсов взаимодействует с образцом (108) во множестве мест в образце (108) для получения обработанных импульсов;
второй сверхбыстрый лазерный источник (104), сконфигурированный для подачи второго множества импульсов в пикосекундном временном диапазоне или диапазоне более коротких длительностей, причем второй сверхбыстрый лазерный источник (104) сконфигурирован для подачи гребенки частот, имеющих вторую частоту повторения, которая отличается от первой частоты повторения;
опорное устройство (110), выполненное с возможностью подачи опорных импульсов, имеющих переменную временную задержку, переменную задержку по фазе, переменную разность хода, или их комбинаций;
блок (124) детектора, сконфигурированный для детектирования по меньшей мере части обработанных импульсов от первого сверхбыстрого лазерного источника (102), второго множества импульсов от второго сверхбыстрого лазерного источника (104) и опорных импульсов; и
блок (128) обработки данных, сконфигурированный для обработки детектируемых импульсов и выполнения измерений одного или нескольких параметров для множества мест в образце (108).
2. Система (100) по п. 1, в которой первый сверхбыстрый лазерный источник, второй сверхбыстрый лазерный источник или они оба выполнены в виде фемтосекундного лазерного источника.
3. Система (100) по п. 1, в которой опорное устройство (110) выполнено в виде устройства задержки по времени, генератора разности фаз, или генератора разности хода, или их комбинации.
4. Система (100) по п. 3, в которой устройство временной задержки является зеркалом.
5. Система (100) по п. 1, дополнительно содержащая третий сверхбыстрый лазерный источник (306), сконфигурированный для подачи третьего множества импульсов.
6. Система (100) по п. 5, дополнительно содержащая генератор (308) опорных синхроимпульсов, функционально связанный с первым и третьим сверхбыстрыми лазерными источниками (302, 306) для синхронизации первого и третьего сверхбыстрых источников.
7. Система (100) по п. 6, дополнительно содержащая генератор разности фаз, функционально связанный с третьим сверхбыстрым лазерным источником (306).
8. Система (100) по п. 5, дополнительно содержащая циркулятор (312), функционально связанный с первым сверхбыстрым лазерным источником (102), для направления по меньшей мере части взаимодействующих импульсов так, что взаимодействующие импульсы объединяются с третьим множеством импульсов.
9. Система (100) по п. 1, дополнительно содержащая оптическое волокно, функционально связанное с первым сверхбыстрым лазерным источником (102) так, что по меньшей мере часть первого множества импульсов проходит по меньшей мере через часть оптического волокна.
10. Система (100) по п. 1, дополнительно содержащая оптическое волокно, функционально связанное со вторым сверхбыстрым лазерным источником (104) так, что по меньшей мере часть второго множества импульсов проходит по меньшей мере через часть оптического волокна.
11. Система (100) по п. 1, в которой опорное устройство (110) выполнено в виде жидкокристаллического устройства, микроматрицы, микроэлектромеханической системы (MEMS) или оптической структуры, которая сконфигурирована для введения временной задержки, задержки по фазе или разности оптических длин путей.
12. Система (100) для опроса одного или нескольких параметров во множестве мест в образце (108), содержащая:
первый фемтосекундный лазерный источник (102), сконфигурированный для подачи первого множества импульсов в пикосекундном временном диапазоне или диапазоне более коротких длительностей, причем первый фемтосекундный лазерный источник (102) сконфигурирован для подачи гребенки частот, имеющих первую частоту повторения; при этом первое множество импульсов взаимодействует с образцом (108) во множестве мест в образце (108) для получения обработанных импульсов;
второй фемтосекундный лазерный источник (104), сконфигурированный для подачи второго множества импульсов в пикосекундном временном диапазоне или диапазоне более коротких длительностей, причем второй фемтосекундный лазерный источник (104) сконфигурирован для подачи гребенки частот, имеющих вторую частоту повторения, которая отличается от первой частоты повторения;
опорное устройство (110), выполненное с возможностью подачи опорных импульсов, имеющих переменную временную задержку, переменную задержку по фазе, переменную разность хода, или их комбинаций;
блок детектора (124), сконфигурированный для детектирования по меньшей мере части обработанных импульсов от первого фемтосекундного лазерного источника (102), второго множества импульсов от второго фемтосекундного лазерного источника (104) и опорных импульсов; и
блок (128) обработки данных, сконфигурированный для обработки детектируемых импульсов и выполнения измерений одного или нескольких параметров для множества мест в образце.
13. Система (100) по п. 12, дополнительно содержащая третий фемтосекундный лазерный источник.
14. Система (100) по п. 12, в которой опорное устройство (110) функционально связано с первым фемтосекундным лазерным источником.
15. Система (100) по п. 12, дополнительно содержащая коллиматор, расположенный между первым фемтосекундным лазерным источником и по меньшей мере частью образца.
16. Система (100) по п. 12, дополнительно содержащая оптическое волокно, функционально связанное с первым фемтосекундным лазерным источником так, что по меньшей мере часть первого множества импульсов проходит по меньшей мере через часть оптического волокна.
17. Способ (400) опроса одного или нескольких параметров во множестве мест в образце, включающий:
подачу первого множества импульсов в пикосекундном временном диапазоне или диапазоне более коротких длительностей, причем первое множество импульсов имеет первую частоту (402) повторения;
взаимодействие части первого множества импульсов во множестве мест в образце для получения обработанных импульсов (404);
введение переменной временной задержки, переменной задержки по фазе, переменной разности хода или их комбинаций в другую часть первого множества импульсов для получения опорных импульсов (406);
подачу второго множества импульсов в пикосекундном временном диапазоне или диапазоне более коротких длительностей, причем второе множество импульсов имеет вторую частоту повторения, которая отличается от первой частоты повторения (408);
детектирование по меньшей мере части обработанных импульсов от первого сверхбыстрого лазерного источника, второго множества импульсов от второго сверхбыстрого лазерного источника и опорных импульсов (410) и
обработку детектируемых импульсов для выполнения измерений одного или нескольких параметров для множества мест в образце (412).
