【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】分布式光学感测系统和方法
本专利技术涉及用于对光学透明介质中的光路长度变化进行定量和分布式测量的系统和方法，并且具体地涉及用于沿光学透明介质中的光路对光学相位变化进行定量和分布式测量的系统和方法。开发本专利技术主要是为了用于对由声能、弹性能、地震能、振动能、热能或动能引起的沿光纤的光路长度变化进行定量和分布式感测的方法和系统，下面将参考本申请进行描述。然而，将理解的是，本专利技术不限于该特定使用领域。
技术介绍
整个说明书中对
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的任何讨论决不应被视为承认此类
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是现有技术，也不是承认此类
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在澳大利亚或世界范围内是众所周知的或形成该领域公知常识的一部分。本说明书中引用的所有参考文献(包括任何专利或专利申请)均通过引用结合于此。不承认任何参考文献构成现有技术。参考文献的讨论陈述了其作者的主张，而申请人保留对所引用文献的准确性和相关性提出质疑的权利。应当清楚地理解，尽管本文引用了许多现有技术出版物，但是这种引用并不意味着承认这些文献中的任何一个构成了无论是在澳大利亚还是在任何其他国家的本领域公知常识的一部分...
【技术保护点】
1.一种分布式光学感测系统，其包括：/n宽带光源；以及/n相位和振幅接收器。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170726 AU 20179029381.一种分布式光学感测系统，其包括：
宽带光源；以及
相位和振幅接收器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述相位和振幅接收器被适配成接收由所述光源产生的引导到介质的光学信号的分布式反向散射。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述宽带光源是非相干或部分相干的宽带光源。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述宽带光源是相干宽带光源。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其还包括至少一个有意相对延迟路径(IRDP)。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述IRDP被适配成延迟由所述光源产生的一部分光输出。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述光源是调制光源。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述调制光源是强度调制的或脉冲光源。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其还包括正向光路，所述正向光路被适配成接收由所述光源产生的输出光。
10.根据权利要求9所述的系统，其还包括调制器，所述调制器被适配成在所述正向光路中调制由所述光源产生的所述光的至少一部分。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述调制器被适配成在所述正向光路中调制至少一部分所述光的强度。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述调制器被适配成在所述正向光路中调制至少一部分所述光的相位。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述调制器被适配成在所述正向光路中调制至少一部分所述光的偏振。
14.根据权利要求10所述的系统，其中所述调制器被适配成在所述正向光路中调制至少一部分所述光的频率。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的系统，其中所述正向光路还被适配成将所述调制输出光传输到光学透明介质，所述光学透明介质被适配成响应于物理变化而改变光学信号。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述光学透明介质被适配成通过修改在所述介质中传播的光学信号的路径长度来干扰所述光学信号。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述路径长度是在所述介质中传播的所述光学信号的光路长度。
18.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述正向光路包括分光器，所述分光器被适配成将所述光学信号分成至少两个部分。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述调制器被适配成接收所述分开的光学信号的一个或两个部分，以提供至少一个调制光学信号。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的系统，其中所述正向光路包括：
第一光学延迟装置，所述第一光学延迟装置具有第一延迟τ1，并且被适配成接收来自所述分光器的所述光学信号的第一部分，并随后将延迟正向传播光学信号传输到所述光学透明介质；以及
直接光学传输装置，所述直接光学传输装置被适配成接收来自所述分光器的所述强度调制光学信号的第二部分，并随后绕过所述第一光学延迟装置将直接正向传播光学信号传输到所述光学透明介质；
其中所述延迟正向传播光学信号相对于所述直接正向传播光学信号在时间上延迟所述第一延迟τ1。
21.根据权利要求20所述的系统，其还包括组合装置，用于将所述直接正向传播光学信号和所述延迟正向传播光学信号组合到公共正向光路上。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的系统，其还包括光学引导装置，所述光学引导装置被适配成接收来自所述光学透明介质的反向传播光并且将所述接收到的反向传播光引导到返回光路。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述返回光路包括被适配成将所述反向传播光分成至少两个部分的返回分光器。
24.根据权利要求22或权利要求23所述的系统，其中所述返回光路包括：
第二光学延迟装置，所述第二光学延迟装置具有第二延迟τ2，并且被适配成接收来自所述返回分光器的所述反向传播光的第一部分，并随后将延迟返回光学信号传输到所述相位和振幅接收器；并且
所述系统还包括直接返回光学传输装置，所述直接返回光学传输装置被适配成接收来自所述返回分光器的所述反向传播光的第二部分，并随后绕过所述第二光学延迟装置将直接返回光学信号传输到所述相位和振幅接收器；
其中所述延迟返回光学信号相对于所述直接返回光学信号延迟所述第二延迟τ2。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述第一光学延迟装置和所述第二光学延迟装置是公共的，具有延迟τcom。
26.根据权利要求24或权利要求25所述的系统，其中所述宽带光源具有相干时间τcoh，并且其中|τ1-τ2|＜aτcoh。
27.根据权利要求26所述的系统，其中所述乘法因数a约为1。
28.根据权利要求26所述的系统，其中所述乘法因数a在约1至约100之间。
29.根据权利要求27或权利要求28所述的系统，其中τ1＞τcoh并且τ2＞τcoh。
30.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述相位和振幅接收器被适配成测量入射在其上的光学信号的相位差和干涉振幅。
31.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述相位和振幅接收器接收多个信号，所述多个信号包括：
延迟+直接信号，其包括由已经绕过所述第二光学延迟装置的所述延迟正向传播光学信号产生的反向传播信号(信号2)；以及
直接+延迟信号，其包括由已经通过所述第二光学延迟装置传输的所述直接输出信号产生的反向传播信号(信号3)。
32.根据权利要求31所述的系统，其中信号2和信号3大约同时到达所述接收器，以允许信号2干涉信号3，从而产生被适配成提供信号2与信号3之间光程差的量度的干涉信号，其表示由外部干扰引起的所述光学透明介质中的路径长度差。
33.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述透明光学介质是光纤。
34.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其还包括计算和分析装置，所述计算和分析装置被适配成接收所述相位和振幅接收器的所述输出信号，并随后计算所述透明光学介质中的分布式光路长度变化。
35.根据权利要求34所述的系统，其中所述计算和分析装置被适配成根据所述测量的光路长度变化来推断所述透明光学介质中的物理变化。
36.根据权利要求1至35中任一项所述的系统，其包括：
多个光学透明介质；
频率选择装置，用于在所述直接和延迟正向传播光学信号中的每一个内选择多个频带，每个所选频带包括被引导到所选介质的正向传播的直接和延迟光学信号；
多个接收装置，用于接收来自每个所选光学介质的反向传播光学信号；以及
频率选择装置，用于在所述直接和延迟返回传播光学信号中的每一个内选择多个频带，每个所选频带包括被引导到所选相位和振幅接收器的返回传播的直接和延迟光学信号；多个相位和振幅接收器，所述多个相位和振幅接收器被适配成测量所述所选频带中所述接收到的光学信号的振幅相位差，从而以分布式方式确定沿每个所选介质的光路长度变化，以推断所述所选介质中的物理变化。
37.一种以分布式方式感测沿感测介质的光路长度变化的方法，所述方法包括以下步骤：
提供宽带光源用于产生光学输出；
将所述光学输出分成至少两个部分，并将每个分离的部分引导到独立的正向光路；
在所述光路的第一光路中提供第一光学延迟装置，所述延迟装置被适配成将所述第一正向光路上的所述光学输出的至少一部分相对于至少另一个独立的正向光路延迟预定的延迟时间τ1，从而产生延迟光学输出信号和至少一个直接光学输出信号；
提供引导装置用于将所述输出信号引导到所述感测介质中；
提供接收装置用于接收来自所述感测介质的分布式反向散射信号；
将所述反向散射信号分成至少两个独立的返回路径；
在所述返回路径的第一返回路径中提供第二光学延迟装置，所述延迟装置被适配成将所述第一返回路径上所述接收到的反向散射信号的至少一部分相对于至少另一个返回光路延迟预定的延迟时间τ2，从而产生延迟反向散射信号和至少一个直接反向散射信号；以及
测量所述分离的延迟和直接反向散射信号之间的相对相位差，以确定沿所述感测介质的光路长度变化。
38.根据权利要求37所述的方法，其包括根据所述感测到的光路长度变化来推断所述感测介质中的物理变化。
39.根据权利要求37或权利要求38所述的方法，其中所述光源具有相干时间τcoh，并且所述第一和第二延迟装置的所述延迟满足关系式|τ1-τ2|＜aτcoh。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述乘法因数a约为1。
41.根据权利要求39所述的方法，其中所述乘法因数a在约1至约100之间。
42.根据权利要求37至41中任一项所述的方法，其中所述宽带光源是非相干或部分相干的宽带光源。
43.根据权利要求37至41中任一项所述的方法，其中所述宽带光源是宽带相干光源。
44.根据权利要求37至43中任一项所述的方法，其中所述光源是调制光源或脉冲光源。
45.根据权利要求37至44中任一项所述的方法，其包括以下步骤：在将所述输出信号引导到所述感测介质之前，调制所述光学输出或者所述延迟和/或直接输出信号。
46.根据权利要求37至45中任一项所述的方法，其还包括：在将所述输出信号引导到所述感测介质中之前，提供组合装置用于将所述延迟输出信号和所述至少一个直接输出信号组合到公共正向光路上。
47.根据权利要求37至46中任一项所述的方法，其中所述第一光学延迟装置和所述第二光学延迟装置是公共的。
48.根据权利要求37至47中任一项所述的方法，其还包括以下步骤：
使用光在所述感测介质中的行进时间和调制方案来确定所述光路长度变化的位置或物理参数；
使用所述测量的相位以分布式方式定量地确定光路长度变化；以及
根据所述确定的光路长度变化来推断所述感测介质的一个或多个物理参数。
49.根据权利要求44至48中任一项所述的方法，其中所述调制步骤包括对所述光学信号进行强度调制、振幅调制、频率调制、相位调制或偏振调制。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述调制是脉冲式调制，从而提供强度调制的光学输出。
51.根据权利要求37至50中任一项所述的方法，其中所述感测介质是由所述光源产生的一个或多个预定波长的光学透明介质。
52.根据权利要求51所述的方法，其中所述光学透明介质是适配用于引导具有所述一个或多个预定波长的光的光纤或光波导。
53.根据权利要求51所述的方法，其中所述光学透明介质是水、海水、流体、玻璃、聚合物、半导体材料、空气、甲烷、压缩天然气、液化天然气、气体或其他合适的光学透明材料。
54.根据权利要求51所述的方法，其中当所述光学透明介质不是引导介质时，所述方法还包括以下步骤：提供准直仪，用于将所述输出信号发射到所述感测介质中并从所述感测介质收集反向散射光学信号。
55.根据权利要求37至54中任一项所述的方法，其还包括以下步骤：
提供第一频率选择装置以：
在所述直接和延迟正向传播光学输出信号中的每一个内选择多个频带，每个所选频带包括正向传播的直接和延迟光学信号；
将每个所选频带中的每一对光学信号引导到多个感测介质中的选定一个；
接收来自每个所选光学介质的反向传播的分布式反向散射光学信号；以及
将所述接收到的光学信号中的每一个组合到公共光学返回路径上；
提供第二频率选择装置，用于：
接收来自所述返回路径的光学信号；以及
利用所述接收到的光学信号选择多个频带；
将在所选多个频带中的每...
【专利技术属性】
技术研发人员：S·J·弗里斯肯，N·伊萨，M·A·F·勒伦斯，
申请(专利权)人：特拉一五私人有限公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU
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