光纤感测系统及其操作方法技术方案

本发明专利技术描述了光纤感测系统。所述光纤感测系统包括光源，其适合于提供多个波长上的光信号。所述光纤感测系统还包括多个波长抽头，其用于将所述光信号分成所述多个波长中的每个波长上的信号部分。所述光纤感测系统还包括多个光传感器，所述光传感器中的每个光传感器被配置为接收所述多个波长中的相应波长上的所述信号部分的其中之一。所述光纤感测系统还包括多个波长合束器，其用于将来自所述多个光传感器的信号部分组合成重新组合的信号。所述光纤感测系统中还包括光接收器，其用于接收所述重新组合的信号。所述光纤感测系统还包括光纤路径，其位于所述光源与所述光接收器之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】相关申请的交叉引用本申请要求于2012年5月4日提交的美国临时申请N0.61/642760的优先权的权益，该美国临时申请的内容通过引用并入本申请中。
本专利技术总体上涉及光纤感测系统，并且更具体地，涉及特别适用于高温环境中的光纤感测系统及其使用方法。
技术介绍
基于电子地震检波器的光纤感测系统是本领域中所公知的，并且在很多应用中都有使用。例如，光纤感测系统以及包括电子地震检波器的光纤感测系统用于在诸如用于石油、天然气和地热能(例如，增强的地热回收)生产的水利压裂之类的操作期间利用垂直地震剖面法和微地震事件对地下结构进行成像。然而，传统的电子工具、甚至一些光学工具都受到不能在超过100°c的高温下承受长时间工作的影响。因此，期望的是提供用于高温应用中的改进的光纤感测系统。
技术实现思路
根据本专利技术的示例性实施例，提供了光纤感测系统。光纤感测系统包括适合于提供多种波长的光信号的光源。光纤感测系统还包括多个波长抽头，其用于将光信号分成多个波长中的每个波长上的信号部分。光纤感测系统还包括多个光传感器，光传感器中的每个光传感器被配置为接收多个波长中的相应波长上的信号部分的其中之一。光纤感测系统还包括多个波长合束器，其用于将来自多个光传感器的信号部分(例如，返回的信号部分)组合成重新组合的(例如，多波长)信号。光纤感测系统中还包括用于接收重新组合的信号的光接收器(或者多个光接收器)。光纤感测系统中包括位于光源与光接收器之间的一个或多个光纤路径。所述光接收器(其可以被认为是返回光学器件)可以包括用于将光接收器所接收到的多波长信号分成单独的信号的光学器件，其中每个单独的信号在不同波长上。光接收器还可以包括信号处理，其用于将单独的信号部分转换成与在所述传感器中的每个传感器处所测量的物理量(例如，加速度、速度、动态压力变化等)成比例的电子信号。根据本专利技术的另一个示例性实施例，提供了操作光纤感测系统的方法。所述方法包括如下步骤:(a)从光源发射光信号，以使光信号包括多个波长；(b)利用多个波长抽头将光信号分成多个波长中的每个波长上的信号部分；(C)在多个光传感器中的相应光传感器处接收信号部分中的信号部分；(d)利用多个波长合束器将来自多个光传感器的信号部分组合成重新组合的信号；以及(e)在光接收器处接收重新组合的信号。应该理解的是，上文的总体描述和下文的【具体实施方式】是本专利技术的示例，而不是对本专利技术的限制。【附图说明】通过结合附图来阅读以下【具体实施方式】可以很好地理解本专利技术。要强调的是，根据惯例，附图的各种特征并未按比例绘制。相反，为了清晰起见，各种特征的尺寸被任意地放大或缩小。附图中包括如下各图:图1是根据本专利技术的示例性实施例的光纤感测系统的方框图；图2是根据本专利技术的示例性实施例的具有阶梯式结构的光纤感测系统的方框图；图3是根据本专利技术的示例性实施例的多路复用光源的方框图；图4是根据本专利技术的示例性实施例的迈克尔逊干涉仪传感器的方框图；图5是根据本专利技术的示例性实施例的马赫-曾德尔干涉仪传感器的方框图；图6是根据本专利技术的示例性实施例的可以用于光纤感测系统中的光纤加速度计的方框图；图7是根据本专利技术的示例性实施例的光纤感测系统的多路复用结构的方框图；图8是示出了根据本专利技术的示例性实施例的光纤感测系统的三传感器模块的方框图；图9是示出了根据本专利技术的示例性实施例的光纤感测系统的三轴模块的方框图；图10是示出了根据本专利技术的示例性实施例的输入信号和返回信号波分结构的方框图；以及图11-13是示出了根据本专利技术的各种示例性实施例的用于光纤感测系统的各种多路复用结构的方框图。【具体实施方式】如下文将详细解释的，根据本专利技术的某些示例性实施例，提供了改进的光纤感测系统，所述改进的光纤感测系统包含一系列波长抽头，以将光信号分成多个信号部分(例如，窄线宽输出信号部分)。例如，波长抽头用于剥离光信号的单独的波长(例如，波分复用)，其中每个单独的波长可以用于光传感器中的感测(例如，用于感测光传感器经受的加速度)(例如，其中光传感器可以包括光纤加速度计、换能器等)。在一个特定示例中，光传感器可以是光纤水听器(例如，包括涂覆有带孔隙的弹性体的光纤)。可以在每个感测位置处包括多个传感器，用于在不同方向中(例如，沿不同的轴)进行感测。然后，利用波长合束器来重新组合发射到各个传感器的光信号，并且然后将重新组合的信号发射回到返回光学器件(例如，到光接收器)，以将重新组合的信号解复用成不同的波长，并且如本领域技术人员所公知的那样进行信号处理。示例性波长抽头和合束器包括0ADM(即，光分插复用器)、斜率滤波器、波长鉴别器、波长解复用器和波分复用器(WDM)。可以利用各种光传感器结构，包括但不限于迈克尔逊干涉仪光传感器、法布里-珀罗干涉仪光传感器、基于光纤布拉格光栅(FBG)的光传感器、Sagnac干涉仪光传感器等。还可以将换能器包含到光传感器中。示例性换能器包括:固定到关心的主体的固定部分(例如，固定芯轴)；可以相对于固定部分移动的移动部分(可移动芯轴)；设置在固定部分与可移动部分之间的弹簧构件；以及缠绕在固定部分与可移动部分之间的光纤，其用于感测光纤中的与可测量的量(例如，诸如加速度、压力等的物理量)成比例的应变。该应变被转换成通过光纤的光的相位变化。传感器中的包含换能器的干涉仪将相位变化转换成光/光强的变化。可以在询问或信号处理电子装置处将表示该光强变化的信号转换成与原始可测量的量成比例的电输出信号(例如，模拟信号、数字信号)。本专利技术的某些方面提供了特别适用于高温环境中的光纤感测系统(例如，其中光传感器阵列中所包括的光传感器可以在超过200°C的温度下承受长时间的工作而不会发生故障或者遭受性能下降)。期望所述电子装置(例如，包括多波长光源的源光学器件、返回光学器件、询问系统等)可以位于远离光传感器的位置，以提高电子装置的寿命，并且允许在不必以高成本从正在感测的远程环境(例如，钻井)取回传感器的情况下修复或者更换电子装置的元件。根据本专利技术的某些示例性实施例，与常规光纤加速度计相比，可以利用使用光纤的一部分(?10%)的高效率光纤加速度计。这降低了对由于氢气通过其它光纤传感器中常见的耐压外壳进入而导致的光纤暗化的敏感性。对于极端环境而言，纯二氧化硅芯的光纤可以用于引线电缆和连接电缆、以及用于传感器光纤，以进一步降低光纤传感器对氢气暗化的敏感性。根据本专利技术的某些示例性实施例，单独的源和返回光纤用于使潜在的相干瑞利后向散射噪声最小化，因为期望的是来自传感器的返回光信号不干扰光源功率。当从传感器返回的低功率光在引线电缆的位置处(例如，在光纤折射率存在小变化的很多位置处)对高的源光功率产生干扰时，由于相干瑞利后向散射而产生的噪声可能尤其成问题。现在参考附图，其中，贯穿包括附图的各图，相似的附图标记表示相似的元件，图1示出了光纤感测系统100，其包括被配置为提供多个波长上的光信号的光源102。例如，光源102可以包括来自多个光学光源(例如，激光器等)的波长上的光，所述多个光学光源被复用到光纤电缆104内的一个或多个光纤上。光信号(包括多个波长上的光)被导向通过光传感器阵列106，其中，阵列106中的光传感器被设计为由光信号中所包括的单独的波长支持。来自阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤感测系统，包括：光源，其适合于提供多个波长上的光信号；多个波长抽头，其用于将所述光信号分成所述多个波长中的每个波长上的信号部分；多个光传感器，所述光传感器中的每个光传感器被配置为接收所述多个波长中的相应波长上的所述信号部分的其中之一；多个波长合束器，其用于将来自所述多个光传感器的信号部分组合成重新组合的信号；光接收器，其用于接收所述重新组合的信号；以及光纤路径，其位于所述光源与所述光接收器之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·L·戈德纳，A·H·谢尔贝特钱，E·乌德，S·P·劳特，
申请(专利权)人：美国地震系统有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US