《基于相位的感测.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于相位的感测.pdf（10页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102612639 A (43)申请公布日 2012.07.25 C N 1 0 2 6 1 2 6 3 9 A *CN102612639A* (21)申请号 201080044182.2 (22)申请日 2010.09.24 0917150.5 2009.09.30 GB G01H 9/00(2006.01) G01D 5/353(2006.01) (71)申请人秦内蒂克有限公司 地址英国汉普郡 (72)发明人 RI克里克莫尔 DJ希尔 (74)专利代理机构中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人马红梅 刘春元 (54) 发明名称 基于相位的感测 (57)。
2、 摘要 一种分布式声学感测(DAS)的方法，藉此测 量从光纤反向散射的信号的导数或变化率。如果 在测量信号所处的两个时间之间的差比正被测量 的信号的周期小得多，导致较低的灵敏度，则以这 种方法测量的相位的变化或导数具有比信号本身 小得多的振幅。可以例如通过采用被设置为通过 不同的频移调制每个分支中的信号的输出干涉仪 来对时间上位移的返回信号应用频移以比较变化 率。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2012.03.30 (86)PCT申请的申请数据 PCT/GB2010/001802 2010.09.24 (87)PCT申请的公布数据 WO2011/039501 EN 20。
3、11.04.07 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 1/2页 2 1.一种通过询问一段光纤进行分布式声学感测(DAS)的方法，所述光纤响应于所感测 的参数提供信号传播的相位方面的变化，所述方法包括： 向一段光纤中导入输入信号； 接收响应于所述输入信号从所述光纤反向散射的返回信号； 比较在第一时间从所述光纤的一部分反向散射的第一返回信号和在不同的第二时间 从所述光纤的同一部分反向散射的第二返回信号；以及 从所述比较得到相位随所述反向散射的信号的时间的变化率的度。
4、量。 2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一返回信号相对于所述第二返回信号被频 移。 3.根据权利要求2所述的方法，其中第一返回信号由第一频移来加以调制，以及所述 第二返回信号由第二频移来加以调制。 4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述方法包括使接收到的返回信号 经过输出干涉仪，所述输出干涉仪被安排以由不同的频移对每个分支中的信号进行调制。 5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述输入信号包括一对时间上间隔开的脉 冲。 6.根据权利要求5所述的方法，其中所述脉冲具有不同的频移。 7.根据任一前述权利要求所述的方法，进一步包括：基于所述测量到的相位的变化率 获得相位值。 8。
5、.根据任一前述权利要求所述的方法，进一步包括：将在第一时间从所述光纤的第一 部分反向散射的第一返回信号和在基本上相同的时间从所述光纤的第二不同部分反向散 射的第二返回信号进行比较；以及从所述比较得到所述反向散射的信号的相位的度量。 9.根据权利要求8所述的方法，其中所述相位的度量和所述相位的变化率的度量被响 应于公共输入信号基本同时地确定。 10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述输入信号包括三个时间上间隔开的 脉冲。 11.根据权利要求10所述的方法，其中所述输入脉冲包括至少两个不同的波长。 12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中在所述第一和第三脉冲之间的时 间间隔比所述。
6、第一和第二脉冲之间的时间间隔的两倍大。 13.一种用于询问一段光纤的分布式声学感测(DAS)系统，所述光纤提供响应于所感 测的参数的信号传播的相位方面的变化，所述系统包括： 用于接收响应于输入信号从所述光纤反向散射的信号的接收器； 输出干涉仪，其被适配为将在第一时间从所述光纤的一部分反向散射的第一接收信号 与在不同的第二时间从所述光纤的相同部分反向散射的第二接收信号进行组合，其中所述 输出干涉仪包括至少一个分支上的频率调制器以在所述第一和第二返回信号之间施加频 率差；以及 用于接收所述经组合的信号并确定相位随所述反向散射的信号的时间的变化率的相 位检测器。 14.根据权利要求13所述的系统，其。
7、中所述输出干涉仪在所述输出干涉仪的每个分支 上包括频率调制器，每个频率调制器施加不同的频移。 权 利 要 求 书CN 102612639 A 2/2页 3 15.根据权利要求13或权利要求14所述的系统，其中所述系统包括用于确定所述反向 散射的信号的相位的第二相位检测器。 16.根据权利要求13到15中的任一个所述的系统，其中所述系统包括用于分离从具有 不同波长的输入反向散射的信号的解复用器。 17.根据权利要求16所述的系统，其中以第一波长的反向散射的信号通往所述输出干 涉仪，以及以第二波长的信号直接通往所述第二相位检测器。 权 利 要 求 书CN 102612639 A 1/5页 4 基于。
8、相位的感测 技术领域 0001 本发明涉及光纤感测，并且尤其是涉及分布式声学感测(DAS)。 背景技术 0002 分布式声学感测(DAS)为点传感器提供光纤感测的替代形式，藉此通常通过一个 或多个输入脉冲以光学方式询问(interrogate)单段纵向光纤，以沿着其长度提供基本上 连续的声学/振动行为的感测。该单段光纤一般是单模光纤，并且沿着其长度优选地没有 任何镜子、反射器、光栅，或者光学性质的改变。 0003 在分布式声学感测中，通常使用瑞利反向散射。由于标准光纤中的随机的非均匀 性，来自注入到光纤内的脉冲的少量的光被从沿着光纤的长度的每个位置反射回来，导致 了响应于单输入脉冲的连续返回信。
9、号。通过分析光纤内反向散射的辐射，光纤能够被有效 地分为沿着光纤纵向排列的多个离散的感测部分，其可以是(但不必须是)邻接的。 0004 如果沿着光纤发生干扰，则其改变在该点处的反向散射的光。该变化能够在接收 器处被检测到并且可以根据其估计源干扰信号。可以使用如上面描述的相干光时域反射计 (C-OTDR)方法获得低噪声级和高识别力。 0005 DAS的替代方法是基于外差干涉测量法。在该方法中，已经经过光纤的给定段的光 与没有经过该给定段的光干涉。对该光纤段的任何干扰引起干涉的两部分光之间的相位变 化，并且该相位变化可以被测量以给出比采用C-OTDR可能的更加精确的干扰信号的估计。 尤其是当感测非。
10、常长的光纤时，这种系统的动态范围是受限的，并且经常期望采取某方法 来增大动态范围。 0006 已提出多种不同的技术来达到此目的。一个特别合适的例子是如在针对其进行参 考的申请人的共同待决的WO2008/110780中阐述的导数感测技术(DST)。该文献描述了具 有在五个光纤耦合的镜子之间排列的四个光纤传感器线圈的类型的已知传感器组件。该 传感器组件的询问是通过导入一对光脉冲，并且布置该线圈和脉冲以使得返回一串脉冲， 可从施加在各脉冲上的相位导出来自每个传感器线圈的信息。WO2008/110780指出，如果 测量该信号所处的两个时间之间的差比正被测量的信号的周期小得多，假如替代地测量该 相位的变。
11、化或导数，则其具有比信号本身小得多的振幅。随后提出一种系统和方法，其操 纵从该组件返回的脉冲的时序以使得它们交替地包含直接或“正常”相位信息和导数相位 (derivative phase)。WO2008/110780的图6被复制在附图4中，并且示出了包含导数信 息(例如在时间614处)的返回脉冲串604和606的组合，其与包含直接相位信息(例如 在时间612处)的返回脉冲串602和608的组合在时间上交错。 发明内容 0007 本发明的目的在于提供用于提供分布式声学感测的改进方法和设备。 0008 根据本发明的第一方面，提供了一种通过询问(interrogate)一段光纤进行分布 式声学感测(。
12、DAS)的方法，所述光纤响应于所感测的参数提供信号传播的相位方面的变 说 明 书CN 102612639 A 2/5页 5 化，所述方法包括：向一段光纤中导入输入信号；接收响应于所述输入信号从所述光纤反 向散射的返回信号；比较在第一时间从所述光纤的一部分反向散射的第一返回信号和在不 同的第二时间从所述光纤的同一部分反向散射的第二返回信号；以及从所述比较得到相位 随所述反向散射的信号的时间的变化率的度量。 0009 在特别优选的实施例中，第一返回信号相对于所述第二返回信号被频移。 0010 以这种方式，导数感测技术(DST)能被应用于分布式声学感测(DAS)，尽管事实是 DAS提供基本上连续的返。
13、回信号。这与由点传感器阵列提供的脉冲式返回形成对比，其自然 地允许正常和导数输出交错。 0011 DAS提供这样的优点：可以使用未经改动的、基本上连续长度的标准光纤(例如， SMF28)，需要很少的或不需要改动或准备以便使用。优选地，对瑞利反向散射信号进行检测 和分析。分布式声学感测布置的一个例子采用长度达到40km的纵向光纤进行操作，并能将 感测的数据分解到与10m长度相对应的多个通道中。在例如GB2442745中描述了一种合适 的DAS系统。 0012 由于光纤没有间断，与每个通道相对应的光纤段的长度和排列由对光纤的询问来 加以确定。这些可以根据光纤的物理排列和其正监测的结构或空间、以及还。
14、根据所需要的 监测的类型来加以选择。以这种方式，沿着光纤的距离和每个光纤段的长度、或通道分辨 率可以随着对改变输入脉冲宽度、脉冲间隔和输入脉冲占空比的询问器的调节而容易地改 变，而无需对光纤进行任何改变。 0013 施加在第一和第二返回信号之间的频移能够被例如通过使用AOM施加到所述返 回信号中的一个或其它返回信号的偏移所影响。在这种情况下，将预期大约40MHz的最小 频移。在优选实施例中，第一返回信号由第一频移来加以调制，并且第二返回信号由第二频 移来加以调制。这允许实现更小的差异以及在所用频率的选择上的更大的灵活性。执行这 个的一种便利方法是通过使接收到的返回信号经过输出干涉仪，所述输出干。
15、涉仪被安排以 由不同的频移对每个分支(arm)中的信号进行调制。可以使用迈克尔逊干涉仪或马赫-泽 德(Mach-Zehnder)型干涉仪。 0014 在特定实施例中，输入到正在测试的光纤的信号包括一对时间上间隔开的脉冲。 这些脉冲通常将具有不同的频移并且在反向散射的信号的分析中可以使用外差干涉测量 法。应用到第一和第二返回信号的(一个或多个)频移、和输入脉冲上的频移被理想地选 择以允许期望的输出成分(即，如下文解释的各种载波频率)的简单隔离。可替换地或者 附加地，可以对输入脉冲的波长进行操纵以进一步允许对输出成分进行控制，如下面的例 子中所描述的那样。 0015 在一个实施例中，将第一和第二返。
16、回信号间隔开大约125ns，然而这可以被改变以 适宜于应用，在不同实施例中少于500ns，或少于250ns或100ns的间隔可能是期望的。 0016 在实施例中，该方法进一步包括将在第一时间从所述光纤的第一部分反向散射的 第一返回信号和在基本上相同的时间从所述光纤的第二不同部分反向散射的第二返回信 号进行比较；以及从所述比较得到所述反向散射的信号的相位的度量。这提供了相位的“正 常”度量，以及因此“直接”声学信号。这对将被响应于公共输入信号基本同时确定的相位 的变化率的度量和相位的度量而言是有利的。展示了该特征的实施例能够被用于提供多个 灵敏度输出的方法中，如PCT申请号GB2009/0014。
17、80(被公开为WO2010/004249)中所描述 说 明 书CN 102612639 A 3/5页 6 的那样。 0017 本发明的再一个方面提供了一种用于询问一段光纤的分布式声学感测(DAS)系 统，所述光纤提供响应于所感测的参数的信号传播的相位方面的变化，所述系统包括：用于 接收响应于输入信号从所述光纤反向散射的信号的接收器；被适配为将在第一时间从所述 光纤的一部分反向散射的第一接收信号与在不同的第二时间从所述光纤的相同部分反向 散射的第二接收信号进行组合的输出干涉仪，其中所述输出干涉仪包括至少一个分支上的 频率调制器以在所述第一和第二返回信号之间施加频率差；以及用于接收所述经组合的信 。
18、号并确定相位随所述反向散射的信号的时间的变化率的相位检测器。 0018 该系统可选择地包括用于向正在测试的光纤提供输入信号的光源。 0019 本发明延伸至基本如本文中参考附图所描述的方法、装置和/或用途。 0020 本发明的一个方面中的任何特征可以被以任何合适的组合应用于本发明的其它 方面。特别地，方法方面可应用于装置方面，并且反之亦然。 0021 此外，以硬件实现的特征通常可以以软件来实现，并且反之亦然。在本文中对软件 和硬件特征的任何提及应该被据此解释。 附图说明 0022 现在将单纯通过示例的方式，参考附图，对本发明的优选特征进行描述，在附图 中： 0023 图1示出了本发明的第一实施例。
19、。 0024 图2图示了替换的脉冲排列。 0025 图3示出了本发明的一替换实施例。 0026 图4图示了现有技术的脉冲式输出。 具体实施方式 0027 参考图1，两个光脉冲102和104被产生为具有f1和f2的频移以及在它们的起点 之间的x米的间隔。这些脉冲包括被传播通过循环器106进入正在测试的光纤(FUT)108 中的输入信号，如所解释的那样，该正在测试的光纤(FUT)108可以是一段未作改变的单模 光纤。被响应于输入脉冲反向散射的光在到达光电检测器112之前通过循环器以及随后的 输出干涉仪110传回。在优选实施例中，干涉仪和光电检测器被适配为操作瑞利反向散射 信号。输出干涉仪在运行分别。
20、持续地应用f3和f4Hz的频移的每个分支中具有声-光调制 器(AOMs)116和118。一个分支还具有延迟线圈120以施加等于脉冲间隔(即，长x米)的 延迟。 0028 从图1中所示的位置开始可以看出，行进至所述循环器以及从所述循环器行进出 来，经过输出干涉仪的延迟分支的来自f2脉冲104的光与经过该干涉仪的更短分支的来自 f1脉冲102的光行进同样的距离。因而，如果来自这些脉冲的光同时到达光电检测器处， 它们定然是从光纤的相同段但是在不同时间反射的，并且因此它们产生导数(derivative) 信号。也就是说，由于它们遵循了相同的光路，所以它们之间的相位差仅仅是在两个脉冲之 间的时间间隔期间。
21、的光路长度方面的变化。这两个脉冲的频移是f2+f4和f1+f3，并且因此 它们混合以形成下述频率的载波信号： 说 明 书CN 102612639 A 4/5页 7 0029 C1(f2-f1)+(f4-f3)。 0030 经过干涉仪的更短分支的来自f2脉冲的光必须在正在测试的光纤中行进额外的 2x米(即x米双程(double pass)，以便与已经通过延迟分支的来自脉冲f1的光同时到 达光电检测器处。这将产生与FUT的x米相对应的正常信号(即，不是导数)。生成该正常 信号的脉冲具有f2+f3和f1+f4的频率，其混合以给出下述频率的载波信号： 0031 C2(f2-f1)+(f3-f4)。 0。
22、032 所产生的另一个载波频率由经过干涉仪的同一个分支的两个脉冲产生 0033 C3f2-f1， 0034 或者由经过给出了下式的干涉仪的两个分支的同一脉冲产生 0035 C4f3-f4。 0036 通过适当选择f1-4，我们能确保C1-4都不相同，并且可以将每个载波信号分开。 例如，如果 0037 f10MHz，f210MHz，f320MHz以及f450MHz，那么 0038 C140MHz，C220MHz，C310MHz以及C430MHz，注意在所有情况下频率都 被示为是正的。应注意到，针对脉冲所示的频率f1-f4都是相对于任意基准的，并且因此可 以具有零或负值以及正值。 0039 具有有。
23、着最高空间分辨率的正常信号的载波是C3，且其由从被分开了x/2米的光 纤段反射的脉冲产生。然而，来自干涉仪的该输出包括来自相隔x/2米的光纤段的该信号 的两个版本(对应于延迟的和未延迟的干涉仪分支)，其叠加在彼此之上。如图1中所示， 如果输出光纤被分裂并且一个支路行进到光电检测器114(其将仅仅看到具有该高空间分 辨率正常信号的单个载波(C3)，则可以避免该问题。 0040 GB 2442745描述了如何可以同时利用多个脉冲对(每一个产生不同的载波频率) 来询问DAS系统。在该文献中，多个载波的目的是提供冗余以减轻相干衰减(coherence fading)导致一个载波的振幅变得太低而不能解调。
24、的问题。 0041 在本发明的实施例中仍然可以发送具有不同频率的脉冲对的集合以克服相干衰 减的问题。例如，使用f1-5MHz，f215MHz以及然后f1-10MHz，f220MHz的值将 分别给出C150以及然后60MHz，其中所有其它频率都保持在30MHz或更低。在光电检测 器114上，将针对三组输入脉冲来产生具有10，20和30MHz的载波的正常信号。 0042 在一个所提出的实施例中，两个脉冲之间的延迟将是大约125ns。导数信号的振幅 与两个脉冲之间的间隔成比例，并且采用该相对小的延迟，当正常信号过载时，尤其是如果 干扰的频率较低，则在某些应用中的导数信号可能具有相当低的SNR。可以通。
25、过增加脉冲间 隔来提高导数信号的振幅，但是这将对系统的空间分辨率具有副作用。 0043 用以避免该问题的所提出的方法将是如图2的实施例中所示的那样发送一串三 个脉冲。 0044 输入脉冲f1和f2将再次具有x米的间隔，并且在光电检测器114上混合以形成 用于长度为x/2米的光纤段的正常信号。输入脉冲f1和新导入的脉冲f5将具有大得多的 y米的间隔，并且在经过输出干涉仪(现在具有y米的延迟线圈)后，脉冲f5将在光电检测 器112上与脉冲f1混合以基于yn/c的时间间隔给出导数信号，其中n是光纤的折射率，并 且c是光的速度。 说 明 书CN 102612639 A 5/5页 8 0045 因为这些。
26、脉冲中的每一个应该优选为不同频率，所以其增加了所产生的载波频率 的数量，使得更难以找到一组在与任何其他很好地分开的载波上产生期望信号的频率。替 换地，该系统可以使用图3中所示的布置来以两个不同波长生成脉冲对。波长2(输入脉冲 302和306)将具有较大的脉冲间隔以产生导数信号，而波长1(输入脉冲302和304)具有 较短的脉冲间隔以产生正常信号。在接收侧，将通过波长解复用器310将波长分开，其中 2经过输出干涉仪到光电检测器312，并且1直接通到光电检测器314。针对该两个波 长可以使用相同的频移对(f1和f2)。 0046 将理解的是，上面已经单纯通过示例的方式对本发明进行了描述，并且在本发明 的范围内可以进行细节的修改。 0047 说明书和(在合适的情况下)权利要求书以及附图中公开的每个特征可以被独立 地或以任何合适的组合来提供。 说 明 书CN 102612639 A 1/2页 9 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102612639 A 2/2页 10 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102612639 A 10 。