光纤分布式感测制造技术

本申请描述了用于分布式光纤感测，尤其是分布式声学/应变感测的方法和设备。该方法涉及向光纤中发射至少第一和第二脉冲对，该第一和第二脉冲对具有与彼此相同的频率配置，并被如此生成，使得第一脉冲对的脉冲的相位关系与第二脉冲对的脉冲的相位关系具有预定相对相位差。在一个实施例中，在脉冲对中的脉冲之间存在与脉冲对的发射速率有关的频率差。在另一实施例中，一对中的脉冲之间的相位差在连续发射之间改变。这样，能够在传感器的基带内生成反向散射干涉信号的分析版本。

Optical fiber distributed sensing

This application describes methods and devices for distributed optical fiber sensing, in particular distributed acoustic / strain sensing. The method involves transmitting at least first and second pulse to the optical fiber, the first and second pulse with frequency configuration and the same as each other, and so are generated, so that the first pulse of the phase relationship of the pulse having a predetermined phase on the phase difference of the phase relationship of the pulse and second pulse. In one embodiment, there is a frequency difference between the pulses in the pulse pair, which is related to the emission rate of the pulse pair. In another embodiment, the phase difference between the pulses in the one pair is changed between the continuous emission. In this way, an analytical version of the backscatter interference signal can be generated within the base band of the sensor.

【技术实现步骤摘要】
光纤分布式感测本申请为分案申请，其母案的专利技术名称为“光纤分布式感测”，申请日为2012年04月10日，申请号为201280027631.1。
本专利技术涉及一种光纤分布式感测，并且特别地涉及用于响应于在所述光纤内引起相位调制的刺激而从光纤分布式传感器导出测量信号的方法和设备，并且尤其是涉及光纤分布式声学感测。
技术介绍
光纤分布式声学传感器是已知的。此类传感器用光辐射来询问光纤并测量由影响光纤的声波引起的对辐射的改变。美国专利US5,194,847（TexasA&M大学）描述了用辐射的重复相干脉冲来询问光纤并检测在光纤内被Raleigh反向散射的任何辐射。每次用单个脉冲来询问光纤，并分析反向散射辐射的振幅以检测由声/压力波引起的光纤的任何扰动。本文件教导的是能够出于周界监视目的使用掩埋式光纤作为分布式声学传感器。英国专利申请GB2,222,247（Plessey）描述了另一分布式光纤传感器，其中，通过沿着光纤传输光脉冲来感测诸如声波的环境参数中的变化。本文件描述的是可以向光纤中传输两个紧密间隔的脉冲，第一脉冲具有与第二脉冲不同的频率。来自光纤内的脉冲的反向散射能够在载波频率下被检测和分析，该载波频率等于询问脉冲之间的频率差。在检测器处接收到的信号能够被选通并处理以确定表示影响光纤的期望区段的环境参数中的变化的信息。英国专利申请GB2,442,745（AT&T）描述了使用光纤的分布式声学感测。本文件再次教导了脉冲对的使用，其中，脉冲对的各个脉冲具有不同的频率。反向散射信号在载波频率下被分析，该载波频率对应于脉冲对中的脉冲之间的频率差。本文件教导了在脉冲对中的脉冲之间的已知频率差下向所检测的反向散射信号施加复解调以提供用于载波频率的同相（I）和正交（Q）信号。这些然后被转换以提供信号的相位和振幅。然后监视来自相同光纤区段的连续样本的相位以确定入射在该光纤区段上的任何声信号。本文件（GB2,442,745）教导的是脉冲对中的脉冲之间的频率差应与脉冲宽度有关。给出了20m宽度的脉冲和至少5MHz的一对中的脉冲之间的频率差的示例。虽然在GB2,442,745中所描述的技术是有用的，但在某些情况下，在此类光纤传感器中所固有的基带结构，即所检测反向散射中的随机但系统化图案，能够掩蔽或破坏载波信号并减小传感器的信噪比。系统的此基带结构部分地由光纤中的散射部位的随机分布、由热漂移等所引起，并且因此不能被消除。通过使用例如约几百MHz的较高载波频率，能够缓解系统的测量信号和基带噪声的交叉的效应。然而，此类高载波频率的使用将要求超过几百MHz的检测器采样率。这不仅将要求用于询问器单元的非常快速的部件并大大地增加所需的处理量，而且高得多的检测器带宽时间也将影响检测器的灵敏度。
技术实现思路
本专利技术提供了用于光纤分布式传感器的改进方法和设备，尤其是缓解上述缺点中的至少一些的分布式声学传感器。因此，根据本专利技术的第一方面，提供了一种分布式光纤传感器设备，包括被配置成生成至少第一和第二脉冲对以便发射到光纤中的光源，该第一和第二脉冲对具有与彼此相同的频率配置，并且被生成使得第一脉冲对的脉冲的相位关系与第二脉冲对的脉冲的相位关系具有预定相对相位差。根据本专利技术的传感器设备因此确保了第一和第二脉冲对中的脉冲的相对相位关系受到控制。第一和第二脉冲对因此具有已知的相对相位编码。这种已知相位编码确保了来自被第一脉冲对照亮的光纤中的任何给定位置的反向散射干涉信号与由来自光纤中的同一位置的第二脉冲对所生成的干涉信号具有相同的预定相对相位差。通过控制此相位编码，能够生成干涉的分析版本。因此，对于光纤中的给定位置而言，由第一和第二脉冲对所生成的反向散射信号能够被处理以确定用于光纤的该区段的相位值，即使当干涉信号在传感器的基带噪声内时，如稍后将更详细地描述的。然后能够监视随时间推移针对光纤的给定区段而确定的相位值以检测由于光纤上的声学刺激而引起的任何相位调制。反向散射干涉信号将在使用中被至少一个适当的检测器所检测并被处理以确定相位值。传感器设备因此可以包括被布置成检测干涉信号的检测器和被耦合到所述至少一个检测器的处理电路，其中，所述处理电路被配置成基于来自所述第一和第二脉冲对的所检测的反向散射辐射来确定用于光纤的至少一个给定区段的相位值。因此，使用从不同脉冲对的发射获取的样本来有效地将相位值解调。处理电路可以在确定相位值时使用预定相位差。根据本专利技术的此方面的传感器设备提供了一种生成调相干涉信号的分析版本以便可以直接提取相位调制的手段。这允许干涉信号处于传感器的基带内，或者更一般地处于尼奎斯特（Nyquist）频带内。来自第一和第二光学脉冲对的来自光纤的同一区段的反向散射辐射的即时样本因此能够被解调以提供用于光纤的该区段的相位值。有利地，应对来自第一和第二脉冲对的反向散射辐射进行采样并在允许表示反向散射辐射中的基本上整个频率范围的带宽下进行处理。如技术人员将认识到的，所要求的带宽将与脉宽有联系，并且较短的脉冲将要求较高的带宽，即将存在脉冲的较大频率含量。因此可以将光源、检测器和处理器如此配置，使得光学检测路径（即检测器/处理器）的带宽足以表示反向散射辐射的基本上所有频率含量。此布置避免了解调之前的对低通滤波的需要，诸如在GB2,442,745（AT&T）中所述的，并且因此能够改善总体传感器性能。本专利技术的实施例的传感器对在光纤的感测部分中引起有效光程差的任何事物是敏感的，并且能够检测例如声学调制、低频应变和温度变化。应注意的是，本文所使用的术语声学和声波适用于可以影响光纤的任何类型的压力波，诸如声音或地震波以及任何一般机械振动。本领域的技术人员将认识到的是，在测量的时间标度内，脉冲对的脉冲应是充分地相干的，以允许处理确定相位值。光源因此可以是高度相干光源。在一个实施例中，预定相对相位差具有约90°的量值。具有等于90°的预定相位相位差在易于后续处理以及返回物（returns）的良好质量方面可能是有利的，如将被描述的。如所述的，来自第一和第二脉冲对的反向散射干涉信号将展示出预定相位差。因此在一些实施例中，使用90°相位差允许反向散射信号被直接用作同相（I）和正交（Q）分量。可以处理这些分量以导出I和Q值，其能够通过例如直角坐标至极坐标转换而被转换成相位值。然而，如果期望的话，可以使用其他预定相对相位差。第一和第二脉冲对具有与彼此相同的频率配置。如在本说明书中所使用的，术语频率配置将被理解为意指脉冲对中的第一和第二脉冲的绝对频率。因此如果第一脉冲对的脉冲分别处于频率F1和F2（其可以是也可以不是相同频率），则第二脉冲对的频率也分别是F1和F2。在一个实施例中，第一和第二脉冲对中的脉冲在其之间具有频率差，并且第一和第二脉冲对被如此生成，以便在不同时间被发射到光纤中，使得不同脉冲对的发射之间的时间对应于等于一对中的脉冲之间的频率差的频率下的用于信号中的预定相对相位变化的时间。在使用中，光源可以以发射速率连续地向光纤中发射脉冲对，并且因此在来自连续发射的干涉信号之间将存在已知的预定相对相位差。因此，实际上可以将连续重复的一系列的第一和第二脉冲对发射到光纤中，在每个连续脉冲对中的脉冲的相位关系中具有相同的相位差。在本实施例中，第一和第二脉冲对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分布式光纤传感器设备，包括：光源，被配置成生成用于发射到光纤中的一系列光学脉冲对，以及光学检测路径，包括：至少一个检测器，被配置成检测从所述脉冲对反向散射的任何辐射；以及处理电路，被耦合到所述至少一个检测器，其中，所述处理电路被配置成基于来自所述脉冲对的所检测反向散射辐射来确定用于光纤的至少一个给定区段的相位值；其中，所述脉冲对和光学检测路径被如此配置，使得所述光学检测路径的带宽足以表示反向散射辐射的基本上所有频率含量。

【技术特征摘要】
2011.04.08 GB 1106030.81.一种分布式光纤传感器设备，包括：光源，被配置成生成用于发射到光纤中的一系列光学脉冲对，以及光学检测路径，包括：至少一个检测器，被配置成检测从所述脉冲对反向散射的任何辐射；以及处理电路，被耦合到所述至少一个检测器，其中，所述处理电路被配置成基于来自所述脉冲对的所检测反向散射辐射来确定用于光纤的至少一个给定区段的相位值；其中，所述脉冲对和光学检测路径被如此配置，使得所述光学检测路径的带宽足以表示反向散射辐射的基本上所有频率含量。2.一种分布式光纤传感器设备，包括光源，被配置成向光纤中发射一系列脉冲对，检测器，被配置成检测在所述光纤内被反向散射的辐射，以及处理装置，其被耦合到所述检测器，以形成至少一个通道信号，所述通道信号包括在每个脉冲对的发射之后基本上同时获取的反向散射辐射的样本；并将所述通道信...

【专利技术属性】
技术研发人员：A刘易斯，S拉塞尔，
申请(专利权)人：光学感应器控股有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB