光纖分布式感測(cè)的制作方法
【專利摘要】本申請(qǐng)描述了用于分布式光纖感測(cè)，尤其是分布式聲學(xué)/應(yīng)變感測(cè)的方法和設(shè)備。該方法涉及向光纖中發(fā)射至少第一和第二脈沖對(duì)，該第一和第二脈沖對(duì)具有與彼此相同的頻率配置，并被如此生成，使得第一脈沖對(duì)的脈沖的相位關(guān)系與第二脈沖對(duì)的脈沖的相位關(guān)系具有預(yù)定相對(duì)相位差。在一個(gè)實(shí)施例中，在脈沖對(duì)中的脈沖之間存在與脈沖對(duì)的發(fā)射速率有關(guān)的頻率差。在另一實(shí)施例中，一對(duì)中的脈沖之間的相位差在連續(xù)發(fā)射之間改變。這樣，能夠在傳感器的基帶內(nèi)生成反向散射干涉信號(hào)的分析版本。
【專利說(shuō)明】光纖分布式感測(cè)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖分布式感測(cè)，并且特別地涉及用于響應(yīng)于在所述光纖內(nèi)引起相位調(diào)制的刺激而從光纖分布式傳感器導(dǎo)出測(cè)量信號(hào)的方法和設(shè)備，并且尤其是涉及光纖分布式聲學(xué)感測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖分布式聲學(xué)傳感器是已知的。此類傳感器用光輻射來(lái)詢問(wèn)光纖并測(cè)量由影響光纖的聲波引起的對(duì)輻射的改變。
[0003]美國(guó)專利US5，194，847 (Texas A & M大學(xué))描述了用輻射的重復(fù)相干脈沖來(lái)詢問(wèn)光纖并檢測(cè)在光纖內(nèi)被Raleigh反向散射的任何輻射。每次用單個(gè)脈沖來(lái)詢問(wèn)光纖，并分析反向散射輻射的振幅以檢測(cè)由聲/壓力波引起的光纖的任何擾動(dòng)。本文件教導(dǎo)的是能夠出于周界監(jiān)視目的使用掩埋式光纖作為分布式聲學(xué)傳感器。
[0004]英國(guó)專利申請(qǐng)GB2，222，247 (Plessey)描述了另一分布式光纖傳感器，其中，通過(guò)沿著光纖傳輸光脈沖來(lái)感測(cè)諸如聲波的環(huán)境參數(shù)中的變化。本文件描述的是可以向光纖中傳輸兩個(gè)緊密間隔的脈沖，第一脈沖具有與第二脈沖不同的頻率。來(lái)自光纖內(nèi)的脈沖的反向散射能夠在載波頻率下被檢測(cè)和分析，該載波頻率等于詢問(wèn)脈沖之間的頻率差。在檢測(cè)器處接收到的信號(hào)能夠被選通并處理以確定表示影響光纖的期望區(qū)段的環(huán)境參數(shù)中的變化的信息。
[0005]英國(guó)專利申請(qǐng)GB2，442，745 (AT & T)描述了使用光纖的分布式聲學(xué)感測(cè)。本文件再次教導(dǎo)了脈沖對(duì)的使用，其中，脈沖對(duì)的各個(gè)脈沖具有不同的頻率。反向散射信號(hào)在載波頻率下被分析，該載波頻率對(duì)應(yīng)于脈沖對(duì)中的脈沖之間的頻率差。本文件教導(dǎo)了在脈沖對(duì)中的脈沖之間的已知頻率差下向所檢測(cè)的反向散射信號(hào)施加復(fù)解調(diào)以提供用于載波頻率的同相(I)和正交(Q)信號(hào)。這些然后被轉(zhuǎn)換以提供信號(hào)的相位和振幅。然后監(jiān)視來(lái)自相同光纖區(qū)段的連續(xù)樣本的相位以確定入射在該光纖區(qū)段上的任何聲信號(hào)。
[0006]本文件(GB2，442，745)教導(dǎo)的是脈沖對(duì)中的脈沖之間的頻率差應(yīng)與脈沖寬度有關(guān)。給出了 20m寬度的脈沖和至少5MHz的一對(duì)中的脈沖之間的頻率差的示例。
[0007]雖然在GB2，442，745中所描述的技術(shù)是有用的，但在某些情況下，在此類光纖傳感器中所固有的基帶結(jié)構(gòu)，即所檢測(cè)反向散射中的隨機(jī)但系統(tǒng)化圖案，能夠掩蔽或破壞載波信號(hào)并減小傳感器的信噪比。系統(tǒng)的此基帶結(jié)構(gòu)部分地由光纖中的散射部位的隨機(jī)分布、由熱漂移等所引起，并且因此不能被消除。通過(guò)使用例如約幾百M(fèi)Hz的較高載波頻率，能夠緩解系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)和基帶噪聲的交叉的效應(yīng)。然而，此類高載波頻率的使用將要求超過(guò)幾百M(fèi)Hz的檢測(cè)器采樣率。這不僅將要求用于詢問(wèn)器單元的非?？焖俚牟考⒋蟠蟮卦黾铀璧奶幚砹?，而且高得多的檢測(cè)器帶寬時(shí)間也將影響檢測(cè)器的靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了用于光纖分布式傳感器的改進(jìn)方法和設(shè)備，尤其是緩解上述缺點(diǎn)中的至少一些的分布式聲學(xué)傳感器。
[0009]因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種分布式光纖傳感器設(shè)備，包括被配置成生成至少第一和第二脈沖對(duì)以便發(fā)射到光纖中的光源，該第一和第二脈沖對(duì)具有與彼此相同的頻率配置，并且被生成使得第一脈沖對(duì)的脈沖的相位關(guān)系與第二脈沖對(duì)的脈沖的相位關(guān)系具有預(yù)定相對(duì)相位差。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備因此確保了第一和第二脈沖對(duì)中的脈沖的相對(duì)相位關(guān)系受到控制。第一和第二脈沖對(duì)因此具有已知的相對(duì)相位編碼。這種已知相位編碼確保了來(lái)自被第一脈沖對(duì)照亮的光纖中的任何給定位置的反向散射干涉信號(hào)與由來(lái)自光纖中的同一位置的第二脈沖對(duì)所生成的干涉信號(hào)具有相同的預(yù)定相對(duì)相位差。通過(guò)控制此相位編碼，能夠生成干涉的分析版本。因此，對(duì)于光纖中的給定位置而言，由第一和第二脈沖對(duì)所生成的反向散射信號(hào)能夠被處理以確定用于光纖的該區(qū)段的相位值，即使當(dāng)干涉信號(hào)在傳感器的基帶噪聲內(nèi)時(shí)，如稍后將更詳細(xì)地描述的。然后能夠監(jiān)視隨時(shí)間推移針對(duì)光纖的給定區(qū)段而確定的相位值以檢測(cè)由于光纖上的聲學(xué)刺激而引起的任何相位調(diào)制。
[0011]反向散射干涉信號(hào)將在使用中被至少一個(gè)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)器所檢測(cè)并被處理以確定相位值。傳感器設(shè)備因此可以包括被布置成檢測(cè)干涉信號(hào)的檢測(cè)器和被耦合到所述至少一個(gè)檢測(cè)器的處理電路，其中，所述處理電路被配置成基于來(lái)自所述第一和第二脈沖對(duì)的所檢測(cè)的反向散射輻射來(lái)確定用于光纖的至少一個(gè)給定區(qū)段的相位值。因此，使用從不同脈沖對(duì)的發(fā)射獲取的樣本來(lái)有效地將相位值解調(diào)。處理電路可以在確定相位值時(shí)使用預(yù)定相位差。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的此方面的傳感器設(shè)備提供了一種生成調(diào)相干涉信號(hào)的分析版本以便可以直接提取相位調(diào)制的手段。這允許干涉信號(hào)處于傳感器的基帶內(nèi)，或者更一般地處于尼奎斯特(Nyquist)頻帶內(nèi)。來(lái)自第一和第二光學(xué)脈沖對(duì)的來(lái)自光纖的同一區(qū)段的反向散射輻射的即時(shí)樣本因此能夠被解調(diào)以提供用于光纖的該區(qū)段的相位值。
[0013]有利地,應(yīng)對(duì)來(lái)自第一和第二脈沖對(duì)的反向散射福射進(jìn)行米樣并在允許表不反向散射輻射中的基本上整個(gè)頻率范圍的帶寬下進(jìn)行處理。如技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的，所要求的帶寬將與脈寬有聯(lián)系，并且較短的脈沖將要求較高的帶寬，即將存在脈沖的較大頻率含量。因此可以將光源、檢測(cè)器和處理器如此配置，使得光學(xué)檢測(cè)路徑(即檢測(cè)器/處理器)的帶寬足以表示反向散射輻射的基本上所有頻率含量。
[0014]此布置避免了解調(diào)之前的對(duì)低通濾波的需要，諸如在GB2，442，745 (AT & T)中所述的，并且因此能夠改善總體傳感器性能。
[0015]本發(fā)明的實(shí)施例的傳感器對(duì)在光纖的感測(cè)部分中引起有效光程差的任何事物是敏感的，并且能夠檢測(cè)例如聲學(xué)調(diào)制、低頻應(yīng)變和溫度變化。應(yīng)注意的是，本文所使用的術(shù)語(yǔ)聲學(xué)和聲波適用于可以影響光纖的任何類型的壓力波，諸如聲音或地震波以及任何一般機(jī)械振動(dòng)。
[0016]本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的是，在測(cè)量的時(shí)間標(biāo)度內(nèi)，脈沖對(duì)的脈沖應(yīng)是充分地相干的，以允許處理確定相位值。光源因此可以是高度相干光源。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)定相對(duì)相位差具有約90°的量值。具有等于90°的預(yù)定相位相位差在易于后續(xù)處理以及返回物(returns)的良好質(zhì)量方面可能是有利的，如將被描述的。如所述的，來(lái)自第一和第二脈沖對(duì)的反向散射干涉信號(hào)將展示出預(yù)定相位差。因此在一些實(shí)施例中，使用90°相位差允許反向散射信號(hào)被直接用作同相(I)和正交(Q)分量。可以處理這些分量以導(dǎo)出I和Q值，其能夠通過(guò)例如直角坐標(biāo)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換而被轉(zhuǎn)換成相位值。然而，如果期望的話，可以使用其他預(yù)定相對(duì)相位差。
[0018]第一和第二脈沖對(duì)具有與彼此相同的頻率配置。如在本說(shuō)明書中所使用的，術(shù)語(yǔ)頻率配置將被理解為意指脈沖對(duì)中的第一和第二脈沖的絕對(duì)頻率。因此如果第一脈沖對(duì)的脈沖分別處于頻率Fl和F2 (其可以是也可以不是相同頻率)，則第二脈沖對(duì)的頻率也分別是Fl和F2。
[0019]在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二脈沖對(duì)中的脈沖在其之間具有頻率差，并且第一和第二脈沖對(duì)被如此生成，以便在不同時(shí)間被發(fā)射到光纖中，使得不同脈沖對(duì)的發(fā)射之間的時(shí)間對(duì)應(yīng)于等于一對(duì)中的脈沖之間的頻率差的頻率下的用于信號(hào)中的預(yù)定相對(duì)相位變化的時(shí)間。
[0020]在使用中，光源可以以發(fā)射速率連續(xù)地向光纖中發(fā)射脈沖對(duì)，并且因此在來(lái)自連續(xù)發(fā)射的干涉信號(hào)之間將存在已知的預(yù)定相對(duì)相位差。因此，實(shí)際上可以將連續(xù)重復(fù)的一系列的第一和第二脈沖對(duì)發(fā)射到光纖中，在每個(gè)連續(xù)脈沖對(duì)中的脈沖的相位關(guān)系中具有相同的相位差。
[0021]在本實(shí)施例中，第一和第二脈沖對(duì)均包括在一對(duì)中的脈沖之間具有頻率差的脈沖。如上所述，這將導(dǎo)致等于脈沖之間的頻率差的載波頻率下的反向散射干涉信號(hào)。在本發(fā)明的此實(shí)施例中，載波頻率與脈沖對(duì)的發(fā)射速率有關(guān)。
[0022]如稍后將更詳細(xì)地描述的，本發(fā)明的此實(shí)施例允許逐發(fā)射確定載波信號(hào)。因此，來(lái)自光纖的每個(gè)部分的信號(hào)，即包括在每個(gè)脈沖對(duì)的發(fā)射之后基本上同時(shí)地獲取的反向散射輻射的樣本的信號(hào)，能夠在相關(guān)載波頻率下被解調(diào)并被用來(lái)導(dǎo)出用于光纖的適當(dāng)區(qū)段的相位值。為了逐發(fā)射樣本準(zhǔn)確地再現(xiàn)載波信號(hào)，載波頻率應(yīng)小于發(fā)射速率的一半。有利地，脈沖對(duì)的發(fā)射之間的時(shí)間可以允許載波頻率下的干涉信號(hào)中的90°的預(yù)定相對(duì)相位變化。90°相位變化允許逐發(fā)射再現(xiàn)準(zhǔn)確的載波信號(hào)并減少任何不必要的過(guò)采樣。為了實(shí)現(xiàn)90°相對(duì)相位差，第一脈沖對(duì)和第二脈沖對(duì)的發(fā)射之間的時(shí)間段可以等于載波頻率下的波周期的四分之一。換言之，載波頻率可以是脈沖對(duì)的發(fā)射速率的四分之一。
[0023]本實(shí)施例因此使用這樣的事實(shí)，即兩個(gè)不同頻率下，比如說(shuō)Fl和F2下的信號(hào)的相位關(guān)系將隨時(shí)間推移而改變。在第一和第二脈沖對(duì)的發(fā)射之間的時(shí)間中，將存在用于頻率Fl下的信號(hào)的η個(gè)循環(huán)和F2的頻率下的信號(hào)的m個(gè)循環(huán)的時(shí)間。本實(shí)施例控制一對(duì)中的脈沖的頻率Fl和F2和脈沖對(duì)的發(fā)射速率，使得在發(fā)射之間的時(shí)間中，n-m具有期望值，例如期望90°相位差時(shí)的0.25。
[0024]因此將認(rèn)識(shí)到的是光源產(chǎn)生具有相同性質(zhì)的脈沖對(duì)的脈沖，如同其從一個(gè)在Fl下運(yùn)行且另一個(gè)在F2下運(yùn)行的兩個(gè)穩(wěn)定頻率源導(dǎo)出的一樣。在實(shí)踐中，確保來(lái)自兩個(gè)單獨(dú)源的適當(dāng)穩(wěn)定性可能是困難的，并且因此通常將使用諸如激光器和頻率調(diào)制器的單個(gè)源。假如激光器和調(diào)制器在時(shí)間上相干，則針對(duì)連續(xù)脈沖對(duì)的脈沖所產(chǎn)生的光將展示出相同的性質(zhì)。光源因此可以包括至少一個(gè)激光器和用于對(duì)來(lái)自激光器的光進(jìn)行調(diào)制以產(chǎn)生第一和第二脈沖對(duì)的至少一個(gè)調(diào)制器。例如，該調(diào)制器可以包括聲光調(diào)制器，雖然可以使用任何適當(dāng)?shù)念l率調(diào)制器(可能將是強(qiáng)度調(diào)制器或開關(guān))來(lái)生成脈沖。
[0025]如上所述，隨著脈沖對(duì)的發(fā)射速率有效地定義用于光纖的給定區(qū)段的采樣率，要在等于脈沖對(duì)中的脈沖之間的頻率差的載波頻率下準(zhǔn)確地再現(xiàn)信號(hào)要求發(fā)射速率在用于載波信號(hào)的尼奎斯特頻率以上一因此，載波頻率應(yīng)小于脈沖對(duì)的發(fā)射速率的一半。
[0026]然而，本發(fā)明的本實(shí)施例仍能夠生成感興趣調(diào)相信號(hào)的分析版本，如果脈沖對(duì)中的脈沖之間的頻率差大于發(fā)射速率的話。人們能夠通過(guò)將載波頻率設(shè)置成等于發(fā)射速率的(4n+l) /4倍來(lái)生成從兩個(gè)連續(xù)脈沖對(duì)接收到的干涉信號(hào)中的90°的相對(duì)相位差，其中，η是大于或等于一的整數(shù)。來(lái)自連續(xù)脈沖對(duì)的來(lái)自光纖的同一區(qū)段的連續(xù)返回物然后仍將具有所需的相對(duì)相位差以允許確定即時(shí)相位值。然而，將認(rèn)識(shí)到的是，載波頻率越低，則準(zhǔn)確檢測(cè)所需的帶寬越低。因此，在一些實(shí)施例中，優(yōu)選的是載波頻率(由脈沖之間的頻率差所定義)小于脈沖對(duì)之間的發(fā)射速率的一半。特別地，載波頻率可以處于發(fā)射速率的四分之一，以便使可用調(diào)制帶寬最大化。在頻域中，加寬載波頻率周圍的信號(hào)的頻譜的任何調(diào)制將在DC下以及還在圖像頻率下具有類似的效果。在尼奎斯特極限的一半下操作使其中不存在與DC分量或圖像頻率的交叉的帶寬最大化。
[0027]將認(rèn)識(shí)到的是，由于第一和第二脈沖對(duì)具有相同的頻率配置，所以不應(yīng)與在檢測(cè)器處接收到來(lái)自第二脈沖對(duì)的任何干涉信號(hào)同時(shí)地在該檢測(cè)器處接收來(lái)自光纖的任何部分的來(lái)自第一脈沖對(duì)的干涉信號(hào)。因此可以將傳感器如此配置，使得第一和第二脈沖對(duì)兩者不能夠同時(shí)地處于光纖的感測(cè)部分中，即，任何反向散射返回物可以從其到達(dá)檢測(cè)器的那部分光纖。因此，發(fā)射第一脈沖對(duì)和第二脈沖對(duì)之間的時(shí)間可以足以允許穿過(guò)光纖的來(lái)自第一脈沖對(duì)的任何信號(hào)返回物在發(fā)射第二脈沖對(duì)之前已經(jīng)到達(dá)檢測(cè)器。換言之，第一和第二脈沖對(duì)的發(fā)射之間的時(shí)間可以足以用于光到光纖的遠(yuǎn)端并返回的往返行程，或者對(duì)于長(zhǎng)光纖而言，至少用于到從其接收到顯著反向散射信號(hào)的光纖中的最遠(yuǎn)點(diǎn)的往返行程，即在由于光纖內(nèi)的衰減而未在檢測(cè)器處從光纖的任何更遠(yuǎn)部分接收到顯著反向散射的點(diǎn)。對(duì)于具有約40km的長(zhǎng)度的感測(cè)光纖而言，這要求至少約0.40ms (假設(shè)1.48的用于光纖的折射率)的脈沖之間的時(shí)間或慢于約2.5kHz的發(fā)射速率。對(duì)于在長(zhǎng)度上5km的光纖而言，發(fā)射速率可以約為20kHz。
[0028]如上所述，載波頻率可以低于發(fā)射速率(B卩，其一部分)，并且因此，低于載波頻率，即脈沖對(duì)中的脈沖之間的頻率差可以約為幾kHz，例如IOkHz或以下，或者5 kHz或以下，或者I kHz或以下。在此發(fā)射速率下，載波頻率將很好地處于傳感器的基帶內(nèi)，但是載波信號(hào)是逐發(fā)射可檢測(cè)的，并因此能夠生成可使用信號(hào)以及用來(lái)確定光纖的相關(guān)區(qū)段上的入射聲學(xué)刺激的此信號(hào)的相位變化。
[0029]在另一實(shí)施例中，第一脈沖對(duì)中和第二脈沖對(duì)中的脈沖都具有與彼此相同的頻率，并且第一脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差與第二脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差相差所述預(yù)定相對(duì)相位差。換言之，第一脈沖對(duì)中的兩個(gè)脈沖處于與彼此相同的頻率，并且在發(fā)射時(shí)具有某種相位關(guān)系。一般地，在第一脈沖對(duì)的第一和第二脈沖中的光之間將存在P1的相對(duì)相位差。第二脈沖對(duì)中的兩個(gè)脈沖也處于與彼此相同的頻率(并且第一脈沖對(duì)中的脈沖也是)，并且在其之間還具有某個(gè)相位差P2。然而，第一脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差被布置成與第二脈沖對(duì)之間的相位差相差預(yù)定相對(duì)相位差。例如，如果預(yù)定相對(duì)相位差為90°，則P2可以等于P1 + 90。。
[0030]改變第一和第二脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差將導(dǎo)致形成得到的干涉信號(hào)的分量反向散射信號(hào)的相關(guān)相位中的變化。相位中的此變化允許處理來(lái)自光纖的同一位置的來(lái)自連續(xù)脈沖對(duì)的信號(hào)以確定用于光纖的該區(qū)段的相位值。
[0031]在光纖中的給定位置處，反向散射干涉信號(hào)的強(qiáng)度將由多種因素確定，包括在光纖中的位置、從光纖內(nèi)出現(xiàn)的各種隨機(jī)因素(諸如光纖的該部分處的散射部位的分布)、并且還有脈沖之間的初始相位差。在光纖中的相同位置處，所有相同因素將確定來(lái)自第二脈沖對(duì)的反向散射信號(hào)的強(qiáng)度。雖然熱變化等可以改變由于光纖而引起的相位貢獻(xiàn)，但此類變化在后續(xù)脈沖對(duì)(如上所述，其通常以幾kHz或幾十kHz的速率發(fā)射)的發(fā)射之間的時(shí)間標(biāo)度上是緩慢的，并且因此在連續(xù)脈沖對(duì)之間將不會(huì)顯著地改變。
[0032]考慮第一脈沖對(duì)以及正從第一脈沖散射光的單獨(dú)散射部位和從該脈沖對(duì)的第二脈沖散射光的第二散射部位。來(lái)自第一部位的散射光將以由第一脈沖的初始相位和在光纖中經(jīng)歷的路徑長(zhǎng)度所確定的相位到達(dá)檢測(cè)器。來(lái)自第二脈沖的散射光將以由第二脈沖的初始相位和在光纖中經(jīng)歷的路徑長(zhǎng)度所確定的相位到達(dá)檢測(cè)器。處于相同頻率的這兩個(gè)信號(hào)將基于其之間的相對(duì)相位差而進(jìn)行干涉。此相位差本質(zhì)上取決于脈沖的初始相位狀態(tài)中的差以及還取決于用于從第二散射部位到第一散射部位并返回的往返行程的路徑長(zhǎng)度差?，F(xiàn)在考慮相同的散射部位也精確地從后續(xù)脈沖對(duì)散射光。所有相同的考慮因素都適用，并且再次地，將在檢測(cè)器處接收到兩個(gè)信號(hào)，其基于第一和第二部位之間的路徑長(zhǎng)度差和脈沖之間的初始相位差而進(jìn)行干涉。在后續(xù)脈沖對(duì)的發(fā)射之間的短時(shí)間內(nèi)，路徑長(zhǎng)度變化將是最小的(在不存在任何刺激的情況下)。因此，唯一的顯著變化將是由于第一和第二脈沖對(duì)的脈沖之間的相位差上的受控變化而引起的。這同樣地適用于對(duì)干涉信號(hào)有貢獻(xiàn)的所有散射部位。
[0033]在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射之間的相位差中的變化被設(shè)置成等于90°。使用連續(xù)發(fā)射之間的90°的相位差變化意味著從連續(xù)發(fā)射接收到的來(lái)自光纖的給定區(qū)段的信號(hào)固有地提供I和Q分量信息。因此，可以對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行低通濾波以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)直角坐標(biāo)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來(lái)提供針對(duì)該通道而確定的I和Q值及相位值。然而，將認(rèn)識(shí)到的是，可以使用相位差中的其他變化值，并且可以通過(guò)使用適合于所使用的相位變化的其他轉(zhuǎn)換方案對(duì)來(lái)自每個(gè)通道的信號(hào)進(jìn)行濾波和處理。
[0034]因此，本實(shí)施例提供反向散射干涉信號(hào)，其中，在第一和第二脈沖對(duì)中的脈沖之間存在相對(duì)相位差中的變化。來(lái)自第一和第二脈沖對(duì)的返回物因此可以被用來(lái)確定用于光纖的相關(guān)區(qū)段的相位值，其然后能夠用來(lái)檢測(cè)由入射在光纖的該區(qū)段上的聲信號(hào)引起的任何相位調(diào)制。
[0035]光源因此可以包括至少一個(gè)激光器和至少一個(gè)相移器，諸如電光調(diào)制器，其被布置成對(duì)激光輸出進(jìn)行調(diào)制，以便產(chǎn)生第一和第二脈沖對(duì)。還可以存在強(qiáng)度調(diào)制器或開關(guān)以產(chǎn)生脈沖。
[0036]再者，如上述實(shí)施例的情況那樣，由于每個(gè)脈沖對(duì)中的脈沖具有相同的頻率，所以有必要避免使檢測(cè)器同時(shí)接收針對(duì)兩個(gè)脈沖對(duì)的返回物。因此，可以短時(shí)間遲于第一脈沖對(duì)發(fā)射第二脈沖對(duì)，允許檢測(cè)用于來(lái)自第一脈沖對(duì)的任何干涉信號(hào)的往返行程時(shí)間。如上文所討論的關(guān)于脈沖對(duì)的發(fā)射速率的相同考慮因素適用于本實(shí)施例。
[0037]傳感器可以被布置成在使用中以適當(dāng)?shù)陌l(fā)射速率連續(xù)地發(fā)射脈沖對(duì)，其中每個(gè)連續(xù)脈沖對(duì)在該對(duì)的脈沖之間具有相位差，其與前一對(duì)的相位差相差所述預(yù)定相位差。
[0038]然而，在一個(gè)實(shí)施例中，可以將第一系列的脈沖對(duì)(包括第一脈沖對(duì)和第二脈沖對(duì))如此生成，以便將其以與第二系列的脈沖對(duì)不同的偏振狀態(tài)發(fā)射到光纖中。優(yōu)選地，該偏振狀態(tài)是這樣的，使得在光纖的近端處從第一和第二系列的脈沖對(duì)接收到的反向散射強(qiáng)度信號(hào)具有正交偏振狀態(tài)。例如，從第一系列的脈沖對(duì)接收到的反向散射干涉信號(hào)可以在第一方向上被線性地偏振，并且從第二系列的脈沖對(duì)接收到的反向散射干涉信號(hào)可以在與第一方向正交的方向上被線性偏振。
[0039]通過(guò)使用不同的偏振狀態(tài)，來(lái)自第一系列的脈沖對(duì)的光纖的近端處的反向散射返回物能夠與第二系列的脈沖對(duì)的反向散射返回物分離，例如通過(guò)使用適當(dāng)?shù)钠衩舾性?lái)僅傳輸具有期望偏振的光或?qū)?lái)自第一和第二系列的脈沖對(duì)的返回物分別分離成第一和第二光學(xué)通道。
[0040]這允許第一系列的脈沖對(duì)和第二系列的脈沖對(duì)(其可以具有與彼此相同的頻率配置)與彼此同時(shí)地在光纖的感測(cè)部分中傳播，并且來(lái)自脈沖對(duì)的反向散射干涉信號(hào)在入射在檢測(cè)器上之前被分離。因此，能夠?qū)z測(cè)器布置成接收每次僅從脈沖對(duì)中的一個(gè)所生成的反向散射干涉信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，單個(gè)檢測(cè)器可以被布置有可變起偏器，使得由檢測(cè)器所采樣的偏振狀態(tài)在不同的時(shí)間被改變。在另一實(shí)施例中，可以將兩個(gè)檢測(cè)器均布置成檢測(cè)不同的偏振狀態(tài)，因此一個(gè)檢測(cè)器可以檢測(cè)到由第一系列的脈沖對(duì)所生成的干涉信號(hào)，并且另一檢測(cè)器可以檢測(cè)到由第二系列的脈沖對(duì)所生成的干涉信號(hào)。應(yīng)注意的是，使用一個(gè)偏振狀態(tài)從光纖接收到的反向散射信號(hào)可以與使用不同偏振狀態(tài)接收到的反向散射信號(hào)不同。因此，來(lái)自第一系列的脈沖對(duì)的返回物應(yīng)與第二系列的脈沖對(duì)的返回物分離地處理以導(dǎo)出相位值。然而，由于任何聲學(xué)調(diào)制而引起的相位值上的變化對(duì)于每個(gè)系列而言應(yīng)是相同的。
[0041]用于第一和第二系列的脈沖對(duì)的不同偏振狀態(tài)的使用因此可以被應(yīng)用于上文所討論的任何實(shí)施例以有效地增加來(lái)自光纖的任何給定區(qū)段的測(cè)量的速率。例如，可以根據(jù)其中載波頻率與脈沖對(duì)的發(fā)射速率有關(guān)的實(shí)施例來(lái)發(fā)射第一系列的脈沖對(duì)。根據(jù)本實(shí)施例還可以在第二系列的脈沖對(duì)的發(fā)射被布置成在第一系列的脈沖對(duì)的發(fā)射之間發(fā)生的情況下發(fā)射第二系列的脈沖對(duì)。這樣，發(fā)射到光纖中的每個(gè)脈沖對(duì)具有與緊接在前面和后面的脈沖對(duì)不同的偏振狀態(tài)。因此，總發(fā)射速率可以是足夠高的，使得兩個(gè)脈沖對(duì)可以同時(shí)地處于光纖的不同部分中。一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器然后能夠獨(dú)立地檢測(cè)分別來(lái)自第一和第二系列的脈沖對(duì)的反向散射干涉信號(hào)。在本實(shí)施例中，對(duì)總發(fā)射速率的限制是相同偏振狀態(tài)的兩個(gè)脈沖對(duì)不應(yīng)同時(shí)地處于光纖的感測(cè)部分中。然而，與當(dāng)在任何一個(gè)時(shí)間只有(特定頻率配置的)單個(gè)脈沖對(duì)正在光纖的感測(cè)部分中傳播時(shí)的上述實(shí)施例相比，這的確允許總發(fā)射速率的加倍和因此的光纖的每個(gè)區(qū)段的總采樣率的加倍。
[0042]如上所述，可以通過(guò)改變被傳遞至檢測(cè)器的偏振狀態(tài)而使用單個(gè)檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)在不同時(shí)間來(lái)自第一和第二系列的脈沖對(duì)的干涉信號(hào)。例如，可變起偏器元件可以在后續(xù)采樣時(shí)間之間在傳輸?shù)谝缓偷诙駹顟B(tài)之間進(jìn)行交替。因此，每個(gè)其他檢測(cè)器樣本將與來(lái)自光纖中的一個(gè)脈沖對(duì)的反向散射干涉信號(hào)有關(guān)，并且介入的檢測(cè)器樣本將與另一脈沖對(duì)有關(guān)。因此能夠相對(duì)于相關(guān)脈沖對(duì)的發(fā)射時(shí)間來(lái)將這些樣本分離成不同的流以便進(jìn)行處理。然而，單個(gè)檢測(cè)器的使用可能要求快速的采樣時(shí)間和快速的可變起偏器。因此，在其他布置中，可以將兩個(gè)檢測(cè)器均布置成接收不同的偏振狀態(tài)。
[0043]不同偏振狀態(tài)的使用還可適用于這樣的實(shí)施例，其中脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差在脈沖對(duì)之間被改變且因此第一和第二系列的脈沖對(duì)中的一個(gè)或兩者可以包括一系列脈沖對(duì)，在該系列中的連續(xù)脈沖對(duì)之間具有受控相位差變化。第一和第二系列的脈沖對(duì)可以被同時(shí)地或接近同時(shí)地傳輸?shù)焦饫w中。因此，在兩個(gè)檢測(cè)器同時(shí)在不同的偏振狀態(tài)下對(duì)反向散射干涉信號(hào)進(jìn)行采樣的情況下，可以獲得來(lái)自光纖的同一區(qū)段的同時(shí)或接近同時(shí)的測(cè)量結(jié)果。在一些應(yīng)用中，在范圍很重要的情況下，可能優(yōu)選的是使用接近同時(shí)的脈沖對(duì)，其中，每個(gè)脈沖對(duì)的實(shí)際脈沖并不重疊，使得任何給定脈沖中的光學(xué)功率能夠盡可能高。應(yīng)避免光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)，并且如果同時(shí)地傳輸不同偏振下的兩個(gè)脈沖，則兩個(gè)脈沖的總功率應(yīng)在非線性閾值以下。
[0044]光源因此可以包括用于在將被發(fā)射到光纖中的連續(xù)脈沖對(duì)之間產(chǎn)生偏振上的差的至少一個(gè)偏振活性元件。傳感器還可以包括被布置成接收從光纖反向散射的光并僅將處于第一偏振狀態(tài)的光引導(dǎo)到檢測(cè)器的至少一個(gè)偏振活性兀件。被傳輸?shù)綑z測(cè)器的第一偏振狀態(tài)可以隨時(shí)間推移而改變和/或至少一個(gè)偏振活性元件可以將第二、不同的偏振狀態(tài)的光引導(dǎo)到不同的檢測(cè)器。
[0045]發(fā)射具有不同偏振狀態(tài)的第一和第二系列的脈沖對(duì)可以在具有某些限制的情況下與任何類型的光纖一起使用。傳感器還可以包括至少一個(gè)偏振調(diào)制器以對(duì)被發(fā)射到光纖中和/或從光纖反向散射的光的偏振進(jìn)行調(diào)制以補(bǔ)償光纖內(nèi)的任何偏振漂移。
[0046]不同偏振狀態(tài)的使用因此允許具有與彼此相同頻率配置的兩個(gè)脈沖對(duì)同時(shí)地存在于光纖中。
[0047]上述實(shí)施例還可以與波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)一起使用以允許同時(shí)在感測(cè)光纖中存在具有不同頻率配置的附加脈沖序列。附加脈沖序列可以包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的脈沖對(duì)，雖然也可以使用其他脈沖序列，諸如單個(gè)脈沖或脈沖對(duì)的其他配置。
[0048]例如，除第一系列的脈沖對(duì)(包括根據(jù)上述實(shí)施例中的一個(gè)的第一和第二脈沖對(duì))之外，還可以向光纖中發(fā)射一個(gè)或多個(gè)附加系列的脈沖序列，使得第一系列的脈沖對(duì)以及還有來(lái)自所述附加系列或每個(gè)附加系列的脈沖序列中的一個(gè)脈沖對(duì)正同時(shí)地在光纖的感測(cè)部分中傳播。
[0049]如所述，附加系列的脈沖序列可以包括具有與第一系列的(以及與任何其他附加系列的)脈沖對(duì)不同的頻率配置的脈沖對(duì)以允許反向散射信號(hào)與第一和任何附加系列的脈沖對(duì)的分離。附加系列的脈沖對(duì)可以包括處于與第一系列的那些脈沖對(duì)(即第一和第二脈沖對(duì))不同的絕對(duì)頻率(即波長(zhǎng))的脈沖和/或定義與第一系列不同的載波頻率的脈沖。
[0050]可以發(fā)射至少一個(gè)附加系列的脈沖對(duì)，使得在該系列的不同脈沖對(duì)中的脈沖之間存在相位關(guān)系上的預(yù)定相對(duì)相位差。
[0051]例如，至少一個(gè)附加系列可以由一系列的頻率差脈沖對(duì)組成，即包括兩個(gè)脈沖的脈沖對(duì)，其中在脈沖之間存在預(yù)定頻率差，以便導(dǎo)致用于該脈沖對(duì)的處于載波頻率的反向散射信號(hào)。可以將頻率差脈沖對(duì)如此生成，以便在以與上述相同的方式與載波頻率有關(guān)的發(fā)射速率下被發(fā)射到光纖中，即(給定系列的)連續(xù)頻率差脈沖對(duì)的發(fā)射之間的時(shí)間對(duì)應(yīng)于用于處于等于該系列的預(yù)定頻率差的頻率下的信號(hào)中的預(yù)定相對(duì)相位變化的時(shí)間。
[0052]在一個(gè)實(shí)施例中，還根據(jù)上述實(shí)施例生成第一系列的脈沖對(duì)，其中，該脈沖對(duì)(SP第一和第二脈沖對(duì))包括具有頻率差的脈沖，并且該脈沖對(duì)是在與相關(guān)載波頻率有關(guān)的發(fā)射速率下生成的。[0053]在這種情況下，附加系列中的至少一個(gè)的脈沖對(duì)中的脈沖的預(yù)定頻率差可以與用于第一系列的頻率差相同，即載波頻率對(duì)于兩個(gè)系列而言是相同的。用于第一和附加系列的脈沖對(duì)的發(fā)射速率因此也可以是相同的，使得第一系列的脈沖對(duì)的發(fā)射之間的預(yù)定相位變化與附加系列的脈沖對(duì)的發(fā)射之間的預(yù)定相位變化相同。
[0054]在第一系列的脈沖對(duì)與至少一個(gè)其他附加系列的脈沖對(duì)具有共同的載波頻率時(shí)，接收到的反向散射光應(yīng)當(dāng)清楚地在相關(guān)載波頻率下進(jìn)行處理之前被波長(zhǎng)解復(fù)用。然后能夠獨(dú)立于來(lái)自附加系列的脈沖對(duì)的那些反向散射信號(hào)來(lái)處理來(lái)自第一系列的脈沖對(duì)的適當(dāng)?shù)姆聪蛏⑸湫盘?hào)。
[0055]在另一布置中，至少一個(gè)附加系列的脈沖對(duì)的載波頻率可以與第一系列的脈沖對(duì)的不同。在此布置中，可以在相關(guān)載波頻率下處理接收到的反向散射信號(hào)。如果第一和附加系列的脈沖對(duì)的發(fā)射速率均與相關(guān)載波頻率匹配，則這可能意味著第一和附加系列的脈沖對(duì)的發(fā)射速率是不同的，或者替換地，如果對(duì)每個(gè)系列使用相同的發(fā)射速率，則連續(xù)脈沖對(duì)之間的預(yù)定相位差對(duì)于每個(gè)系列而言是不同的。
[0056]波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)同樣地適用于其中脈沖對(duì)中的脈沖具有與彼此相同的頻率且該系列中的不同脈沖對(duì)在脈沖之間具有不同相位差的實(shí)施例?？梢允褂孟嗤募夹g(shù)來(lái)以不同的波長(zhǎng)傳輸不同系列的脈沖對(duì)。可以將不同系列的脈沖對(duì)如此布置，使得在連續(xù)脈沖對(duì)中施加的預(yù)定相位差在至少一個(gè)系列中與在至少一個(gè)其他系列中的預(yù)定相位差不同。
[0057]另外，處于一個(gè)波長(zhǎng)的一個(gè)系列的脈沖對(duì)可以實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例中的一個(gè)，以及處于不同波長(zhǎng)的不同系列實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例中的另一個(gè)。因此，一個(gè)系列的脈沖對(duì)可以包括相同頻率的脈沖(即處于一個(gè)波長(zhǎng))，其中在脈沖和另一系列的脈沖對(duì)之間具有相位差上的受控變化的連續(xù)脈沖對(duì)可以包括具有與該系列的發(fā)射速率有關(guān)的頻率差的不同頻率(以不同的波長(zhǎng)為中心)的脈沖。
[0058]可以生成兩個(gè)以上不同系列的脈沖，每個(gè)處于不同的一般波長(zhǎng)。不同系列的脈沖對(duì)的發(fā)射可以以規(guī)則或不規(guī)則間隔相互交錯(cuò)，例如以提供比在單個(gè)系列的脈沖對(duì)的情況下將可能的更大的更新速率。在這種情況下，脈沖對(duì)的系列可以包括相對(duì)于基礎(chǔ)波長(zhǎng)具有相同的一般配置但基礎(chǔ)波長(zhǎng)在系列之間改變的脈沖對(duì)。換言之，脈沖之間的脈沖持續(xù)時(shí)間、時(shí)間間隔、頻率差或相位變化對(duì)于每個(gè)系列而言可以全部是相同的，但是基礎(chǔ)波長(zhǎng)是不同的，以允許將來(lái)自每個(gè)系列的反向散射信號(hào)進(jìn)行分離。
[0059]另外或替換地，至少一個(gè)系列的脈沖對(duì)的發(fā)射可以與至少一個(gè)其他系列的發(fā)射是同時(shí)的，但是其中的至少一些的脈沖對(duì)可以被配置成提供不同的感測(cè)特性，即空間分辨率或靈敏度。
[0060]為了避免引起疑問(wèn)，應(yīng)注意的是，如在本文中所使用的術(shù)語(yǔ)脈沖對(duì)指的是包括光的至少兩個(gè)不同脈沖的信號(hào)。各個(gè)脈沖在時(shí)間間隔或頻率間隔或這兩者的方面可以是不同的。在一些實(shí)施例中，脈沖對(duì)可以形成較長(zhǎng)系列的脈沖的一部分，例如想象均具有不同頻率Fl、F2和F3的三個(gè)脈沖，其中，三個(gè)差頻F1-F2、F2-F3和F1-F3全部是彼此不同的。此類脈沖結(jié)構(gòu)可以被如此布置，使得載波頻率F1-F2與脈沖串的發(fā)射速率有關(guān)，如上所述。可以將頻率差F2-F3布置成是高得多的載波頻率，諸如在GB2，222，247中所教導(dǎo)的。在后續(xù)處理中，脈沖Fl和F2可以包括根據(jù)本發(fā)明的脈沖對(duì)。脈沖F2和F3可以同時(shí)地被用作脈沖對(duì)，如在GB2，222，247中所教導(dǎo)的，并且例如可以忽視對(duì)應(yīng)于F1-F3的載波頻率。[0061]在上述的任何實(shí)施例中，第一和第二脈沖對(duì)可以有利地包括在時(shí)間上(且因此在空間上)與第二脈沖分離的第一脈沖，即存在第一脈沖，后面是短的間隙，后面是第二脈沖。第一和第二脈沖的脈沖寬度優(yōu)選與彼此相同，雖然其不需要如此。在一個(gè)實(shí)施例中，脈沖之間的間隙，即第一脈沖的結(jié)束與第二脈沖的開始之間的時(shí)間，等于或大于至少第二脈沖的脈沖寬度。換言之，第二脈沖(和優(yōu)選地兩個(gè)脈沖)的脈沖持續(xù)時(shí)間可以短于脈沖之間的持續(xù)時(shí)間。如稍后將更詳細(xì)地描述的，與脈沖之間的間隙相比具有相對(duì)窄的脈沖寬度的脈沖結(jié)構(gòu)在允許在傳感器的最大可實(shí)現(xiàn)空間分辨率內(nèi)獲取分集樣本方面可以是有利的。
[0062]當(dāng)使用包括在時(shí)間上與第二脈沖分離的第一脈沖的此類脈沖對(duì)時(shí)，在使用中在檢測(cè)器處由從來(lái)自光纖的第一區(qū)段的散射引起的干涉而出現(xiàn)干涉信號(hào)，該第一區(qū)段被第一脈沖照亮，該散射在檢測(cè)器處與來(lái)自被第二脈沖(在不同的時(shí)間)照亮的光纖的第二區(qū)段的散射是一致的。這些散射部位之間的距離定義了傳感器的計(jì)量長(zhǎng)度，其等于脈沖對(duì)中的脈沖之間的間隔的一半(一半的因數(shù)由折疊效果引起，如下面將更詳細(xì)地描述的)。在這兩個(gè)散射部位之間(即在計(jì)量長(zhǎng)度內(nèi))的光纖的任何聲學(xué)調(diào)制可能導(dǎo)致相位的變化，其可以是可檢測(cè)的。
[0063]因此可以處理反向散射信號(hào)以生成相位(以及在一些實(shí)施例中是振幅)的測(cè)量結(jié)果，其對(duì)應(yīng)于光纖的給定區(qū)段。在每個(gè)單獨(dú)脈沖對(duì)通過(guò)光纖的傳播期間所檢測(cè)的反向散射干涉信號(hào)可以被劃分成一系列的分析面元(analysis bin)，其對(duì)應(yīng)于光纖的特定區(qū)段，其中來(lái)自連續(xù)脈沖對(duì)的用于每個(gè)分析面元的返回物被處理以確定來(lái)自光纖的所述區(qū)段的信號(hào)。如將理解的，分析面元的尺寸確定傳感器的有效空間分辨率，具有的限制在于最大可實(shí)現(xiàn)空間分辨率(即光纖的離散感測(cè)部分的最小長(zhǎng)度)由詢問(wèn)脈沖對(duì)的計(jì)量長(zhǎng)度所支配。因此，在最大空間分辨率下，分析面元對(duì)應(yīng)于在長(zhǎng)度上等于詢問(wèn)脈沖對(duì)的計(jì)量長(zhǎng)度的光纖區(qū)段。
[0064]可以針對(duì)每個(gè)分析面元獲取單個(gè)樣本，或者可以在分析面元內(nèi)取得多個(gè)樣本并將其一起求平均。為了保證能夠分辨最大空間分辨率，因此將有必要如此采樣，使得脈沖對(duì)在樣本之間移動(dòng)了大約該計(jì)量長(zhǎng)度。然而，本發(fā)明人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的是通過(guò)過(guò)采樣，有可能生成分集通道以克服衰落的問(wèn)題。
[0065]如上所述，由光纖中的脈沖對(duì)生成的反向散射信號(hào)由從光纖中的不同散射部位接收到的在檢測(cè)器處接收到的即時(shí)信號(hào)引起，所述不同散射部位分別被第一和第二脈沖照亮。然而，由這些散射部位形成的干涉儀的相對(duì)相位偏置位置取決于散射部位在光纖內(nèi)的分布，其是隨機(jī)的。偏置位置還可以隨熱波動(dòng)而變化。因此，存在這樣的可能性，即在光纖內(nèi)的任何位置處，散射部位導(dǎo)致相消干涉，并且在該位置處不能檢測(cè)到可用強(qiáng)度信號(hào)，即信號(hào)已衰落。
[0066]為了避免此問(wèn)題，該檢測(cè)器或每個(gè)檢測(cè)器可以在一定速率下被采樣，以便在等于脈沖之間的時(shí)間的兩倍的時(shí)間內(nèi)獲取來(lái)自脈沖對(duì)的反向散射信號(hào)的多個(gè)樣本。等于脈沖的時(shí)間間隔的兩倍的時(shí)間在光纖中折合成等于計(jì)量長(zhǎng)度的距離。因此，在光纖中的脈沖移動(dòng)了等于該計(jì)量長(zhǎng)度的距離所花費(fèi)的時(shí)間內(nèi)獲取多個(gè)樣本。換言之，在第一采樣時(shí)間，所接收的反向散射信號(hào)對(duì)應(yīng)于在長(zhǎng)度上等于計(jì)量長(zhǎng)度的光纖的第一區(qū)段。在下一采樣時(shí)間，光纖的相關(guān)區(qū)段將已移動(dòng)，但是移動(dòng)了小于計(jì)量長(zhǎng)度的長(zhǎng)度。這確保在任何采樣時(shí)間對(duì)反向散射干涉信號(hào)有貢獻(xiàn)的位于散射部位之間的光纖區(qū)段逐樣本而部分地重疊。因此，潛在地能夠從任一樣本檢測(cè)光纖的所述重疊區(qū)段的任何聲學(xué)調(diào)制。
[0067]在樣本之間，對(duì)反向散射干涉信號(hào)有貢獻(xiàn)的散射部位將已至少部分地改變，并且因此每個(gè)樣本表示分集樣本。在上述實(shí)施例中，其中脈沖寬度與脈沖間隔相比是相對(duì)窄的，則可能的是，每個(gè)連續(xù)樣本可以對(duì)應(yīng)于基本上獨(dú)立的散射部位(而用于每個(gè)樣本的散射部位之間的光纖區(qū)段基本上重疊)。在此布置中，分集樣本之間的時(shí)間可以約為脈沖持續(xù)時(shí)間的一半。如果反向散射干涉信號(hào)強(qiáng)度對(duì)于一個(gè)分集樣本而言是低的，則其對(duì)于后續(xù)分集樣本而言可能是高的，并且可以導(dǎo)致可用結(jié)果。因此可以在約一百M(fèi)Hz左右的相對(duì)高的采樣率下獲取分集樣本，其比正在被測(cè)量的光纖上的擾動(dòng)的演進(jìn)速率快得多。因此，能夠在單個(gè)分析面元中將所獲取的各種分集樣本進(jìn)行組合以提供影響光纖的特定區(qū)段的調(diào)制的指示。
[0068]檢測(cè)器可以在一定速率下被采樣，使得在等于脈沖對(duì)的脈沖之間的時(shí)間的一半的持續(xù)時(shí)間內(nèi)獲取多個(gè)分集樣本，比方說(shuō)五個(gè)或更多。在一些實(shí)施例中，可以在等于脈沖之間的時(shí)間的一半的持續(xù)時(shí)間內(nèi)獲取八個(gè)或十個(gè)分集樣本。
[0069]在一個(gè)實(shí)施例中，可以在將樣本組合成用于面元的單個(gè)結(jié)果之前執(zhí)行分析面元中的分集樣本的至少一些處理。
[0070]在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)樣本的相對(duì)強(qiáng)度可以被用作是否存在可用反向散射干涉信號(hào)的指示，并且可以將具有低強(qiáng)度的樣本從組合中省略，或者在后續(xù)處理中給定低加權(quán)。
[0071]另外或替換地，可以與從第二脈沖對(duì)的發(fā)射獲取的對(duì)應(yīng)分集樣本一起處理從第一脈沖對(duì)的發(fā)射獲取的分集樣本，以便確定多個(gè)相位值。換言之，每個(gè)分析面元可以包括多個(gè)分集通道。每個(gè)分集通道逐脈沖對(duì)的發(fā)射接收樣本，其對(duì)應(yīng)于光纖中的相同位置，其中相鄰?fù)ǖ缹?duì)應(yīng)于從單個(gè)脈沖對(duì)獲取的連續(xù)分集樣本。
[0072]因此，可以處理每個(gè)分集通道以確定用于該分集通道的相位(和可能是振幅)測(cè)量結(jié)果。然后可以在被組合之前分析來(lái)自特定分析面元中的分集通道的已處理相位值。例如，可以對(duì)已處理相位值施加質(zhì)量度量,并且組合可以將該質(zhì)量度量考慮在內(nèi)。在一個(gè)示例中，質(zhì)量度量可以包括已確定相位值之間的相似程度。該組合可以涉及基于質(zhì)量度量向至少一些相位值施加加權(quán)和/或?qū)⒁恍┫辔恢祻慕M合中省略。例如，在組合中可以僅使用在某個(gè)質(zhì)量閾值以上的已處理相位值，或者可以使用預(yù)定數(shù)目的最高質(zhì)量相位值。另外或替換地，在針對(duì)每個(gè)分集通道確定振幅的情況下，可以使用振幅作為相關(guān)相位值的信噪比(SNR)的指示，并且具有低SNR的相位值被丟棄或被給定低加權(quán)。
[0073]本發(fā)明還適用于一種分布式聲學(xué)感測(cè)的方法。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種分布式聲學(xué)感測(cè)的方法，包括向光纖中發(fā)射至少第一和第二脈沖對(duì)，該第一和第二脈沖對(duì)具有與彼此相同的頻率配置，并且被如此生成，使得第一脈沖對(duì)的脈沖的相位關(guān)系具有與第二脈沖對(duì)的脈沖的相位關(guān)系的預(yù)定相對(duì)相位差。
[0074]上文相對(duì)于本發(fā)明的第一方面所述的所有優(yōu)點(diǎn)同樣地適用于本發(fā)明的此方面的方法，并且該方法可以在任何上述實(shí)施例中被實(shí)現(xiàn)。
[0075]特別地，第一和第二脈沖對(duì)的脈沖可以在其之間具有頻率差；并且該方法可以包括以這樣的發(fā)射速率來(lái)生成一系列第一和第二脈沖對(duì)，使得連續(xù)脈沖對(duì)的發(fā)射之間的時(shí)間與用于等于一對(duì)中的脈沖之間的頻率差的頻率下的信號(hào)中的所述預(yù)定相對(duì)相位變化的時(shí)間相對(duì)應(yīng)。替換地，第一脈沖對(duì)中和第二脈沖對(duì)中的脈沖全部具有與彼此相同的頻率；并且第一脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差與第二脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差相差所述預(yù)定相對(duì)相位差。
[0076]該方法可以包括生成處于第一偏振狀態(tài)的第一脈沖對(duì)和處于第二不同偏振狀態(tài)的第二脈沖對(duì)，并且發(fā)射第一脈沖對(duì)和第二脈沖對(duì)，使得兩個(gè)脈沖對(duì)同時(shí)處于光纖中。在一個(gè)實(shí)施方式中，第一脈沖對(duì)和第二脈沖對(duì)被如此生成，以便被同時(shí)發(fā)射到光纖中。
[0077]上述實(shí)施例全部涉及配置被發(fā)射到光纖中的脈沖對(duì)，使得不同的脈沖對(duì)(具有相同的頻率配置)具有與彼此不同的相位關(guān)系，以便生成調(diào)相信號(hào)的分析版本。然后通過(guò)將由來(lái)自不同脈沖對(duì)的在檢測(cè)器處從光纖的特定區(qū)段所接收到的反向散射干涉信號(hào)的樣本所形成的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)來(lái)確定用于光纖的該特定區(qū)段的相位測(cè)量結(jié)果。然后能夠隨時(shí)間推移而監(jiān)視該相位測(cè)量結(jié)果，并且能夠檢測(cè)在光纖上由聲學(xué)刺激所引入的任何相位變化。
[0078]然而，本發(fā)明還一般地涉及這樣的概念，即利用脈沖對(duì)來(lái)詢問(wèn)光纖并對(duì)反向散射輻射進(jìn)行采樣，使得傳感器的帶寬足以表示反向散射輻射的整個(gè)頻率含量。這允許以良好的信噪比和良好的空間分辨率來(lái)對(duì)調(diào)相信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和解調(diào)。因此，在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種分布式聲學(xué)傳感器設(shè)備，包括:光源，被配置成生成用于發(fā)射到光纖中的一系列光學(xué)脈沖對(duì)，以及光學(xué)檢測(cè)路徑，其包括被配置成檢測(cè)從所述脈沖對(duì)反向散射的任何輻射的至少一個(gè)檢測(cè)器；以及處理電路，被耦合到所述至少一個(gè)檢測(cè)器，其中，所述處理電路被配置成基于來(lái)自所述脈沖對(duì)的所檢測(cè)的反向散射輻射來(lái)確定用于光纖的至少一個(gè)給定區(qū)段的相位值；其中，所述脈沖對(duì)和光學(xué)檢測(cè)路徑被如此配置，使得光學(xué)檢測(cè)路徑(即檢測(cè)器/處理器)的帶寬足以表示反向散射輻射的基本上所有頻率含量。
[0079]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種分布式聲學(xué)傳感器設(shè)備，包括光源，被配置成向光纖中發(fā)射一系列脈沖對(duì)，檢測(cè)器，被配置成檢測(cè)在所述光纖內(nèi)被反向散射的輻射，以及處理裝置，其被耦合到所述檢測(cè)器以形成至少一個(gè)通道信號(hào)，該通道信號(hào)包括在每個(gè)脈沖對(duì)的發(fā)射之后基本上同時(shí)地獲取的反向散射輻射的樣本；并將所述通道信號(hào)進(jìn)行解調(diào)以確定用于光纖的相關(guān)區(qū)段的相位值。
[0080]然而，在另一實(shí)施例中，脈沖對(duì)的配置和檢測(cè)器的采樣率被如此布置，使得隨著脈沖對(duì)傳播經(jīng)過(guò)光纖而獲取的反向散射干涉信號(hào)的連續(xù)樣本具有預(yù)定相位差。該脈沖對(duì)因此具有導(dǎo)致反向散射干涉信號(hào)中的載波頻率的頻率差，其與采樣率有關(guān)，使得載波信號(hào)在樣本之間演進(jìn)了預(yù)定相位量。
[0081]因此，在本發(fā)明的另一方面，提供了一種分布式聲學(xué)傳感器設(shè)備，包括:光源，被配置成生成用于發(fā)射到光纖中的脈沖對(duì)，其中，所述脈沖對(duì)包括在脈沖之間具有頻率差的第一和第二脈沖；檢測(cè)器，被配置成在使用中檢測(cè)來(lái)自所述光纖的反向散射干涉信號(hào)，其中，所述檢測(cè)器以一定速率被采樣，使得反向散射干涉信號(hào)的連續(xù)樣本具有預(yù)定相對(duì)相位差；以及處理器，被配置成使用所述預(yù)定相對(duì)相位差來(lái)處理所述樣本，以導(dǎo)出用于所述光纖的多個(gè)感測(cè)部分中的每一個(gè)的相位信號(hào)。
[0082]根據(jù)本發(fā)明的此方面的傳感器因此確保在反向散射干涉信號(hào)的連續(xù)樣本之間存在預(yù)定相位差。將從光纖的略有不同的部分獲取每個(gè)樣本，但是利用相對(duì)高的采樣率，能夠?qū)⒐饫w的任何聲學(xué)調(diào)制假設(shè)為對(duì)于連續(xù)樣本而言是相同的。因此，樣本之間的已知相位差能夠用來(lái)確定測(cè)量相位值。
[0083]如先前所述的實(shí)施例的情況那樣，連續(xù)樣本之間的預(yù)定相位差可以有利地約為90°。因此，載波頻率可以是采樣率的四分之一。采樣率可以約為100 MHz左右，并且因此載波頻率可以約為25MHz左右。這意味著能夠?qū)⑦B續(xù)樣本直接地取為同相和正交信號(hào)并相應(yīng)地直接進(jìn)行解調(diào)。
[0084]將顯而易見的是，在本實(shí)施例中I和Q信號(hào)并不是完全空間一致的，而是如果與相對(duì)寬的脈沖一起使用相對(duì)快的采樣率，則連續(xù)樣本將不會(huì)是獨(dú)立的(因此本實(shí)施例不同于上述的分集處理實(shí)施例)。因此，在很大程度上，相同的散射部位將主導(dǎo)從樣本至連續(xù)樣本的信號(hào)返回物，并且此類返回物因此能夠用來(lái)提供測(cè)量信號(hào)的分析版本。
[0085]將認(rèn)識(shí)到的是，如上所述，在GB2，442，745 (AT & T)中描述的分布式聲學(xué)傳感器利用在脈沖之間具有頻率差的脈沖對(duì)來(lái)詢問(wèn)光纖以導(dǎo)致載波頻率，并以恒定的速率對(duì)反向散射信號(hào)進(jìn)行采樣。這將導(dǎo)致每個(gè)樣本具有與先前樣本固定的相位變化。然而，在GB2, 442，745中的任何地方都不存在任何這樣的教導(dǎo)，即控制傳感器的參數(shù)應(yīng)當(dāng)被如此控制，使得此相位變化是預(yù)定已知量(并且當(dāng)然沒(méi)有建議控制參數(shù)以確保樣本之間的90°相位變化的任何內(nèi)容)，并且此外根本不存在這樣的指示，即樣本之間的相位變化量能夠在處理中被用來(lái)確定用于光纖的相關(guān)部分的相位值，例如通過(guò)使用連續(xù)樣本直接作為I和Q信號(hào)。
[0086]本發(fā)明的所有實(shí)施例因此依賴于來(lái)自詢問(wèn)輻射的脈沖對(duì)的兩個(gè)脈沖的在光纖內(nèi)反向散射的光之間的干涉以形成能夠用來(lái)導(dǎo)出用于光纖的各個(gè)區(qū)段的相位值的測(cè)量信號(hào)。在上文所討論的實(shí)施例中，測(cè)量信號(hào)可以具有位于在傳感器的基帶內(nèi)的頻率，但是編碼技術(shù)允許提取可用測(cè)量信號(hào)并將其解調(diào)。因此，在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種分布式聲學(xué)傳感器，包括光源，被配置成生成將被發(fā)射到光纖中的一系列相位編碼脈沖對(duì)，以及檢測(cè)器和處理器，其被調(diào)諧至所述相位編碼以將由來(lái)自所述脈沖對(duì)的從所述光纖內(nèi)反向散射的光所形成的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，其中，所述測(cè)量信號(hào)處于傳感器設(shè)備的此基帶內(nèi)的頻率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0087]現(xiàn)在將參考以下附圖僅以示例的方式來(lái)描述本發(fā)明，在所述附圖中:
圖1圖示出分布式聲學(xué)傳感器的一般部件；
圖2圖示出在本發(fā)明的實(shí)施例中所使用的詢問(wèn)脈沖對(duì)配置；
圖3圖示出此類脈沖對(duì)如何設(shè)置傳感器的最大空間分辨率；
圖4圖示出來(lái)自光纖內(nèi)的反向散射信號(hào)的起源；
圖5圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的來(lái)自一系列脈沖對(duì)的發(fā)射的返回物；
圖6圖示出用于傳感器通道的所檢測(cè)信號(hào)的處理的一個(gè)實(shí)施例；
圖7圖示出用于產(chǎn)生具有不同偏振狀態(tài)的脈沖對(duì)的實(shí)施例；
圖8圖示出用于從不同偏振狀態(tài)的脈沖對(duì)獨(dú)立地檢測(cè)反向散射信號(hào)的檢測(cè)器布置的實(shí)施例；
圖9圖示出在本發(fā)明的另一實(shí)施例中所使用的脈沖對(duì)系列的兩個(gè)示例；
圖10圖示出脈沖對(duì)中的脈沖之間的90°相對(duì)相位變化對(duì)在檢測(cè)器處接收到的信號(hào)的影響；
圖11圖示出用于生成脈沖對(duì)的脈沖之間的受控相位調(diào)制的調(diào)制器布置的實(shí)施例；
圖12圖示出在不同偏振狀態(tài)下同時(shí)地產(chǎn)生的在脈沖之間具有相位差中的變化的兩個(gè)脈沖對(duì)； 圖13圖不出用于生成如圖12中所不的同時(shí)脈沖對(duì)的一個(gè)實(shí)施例；
圖14圖示出以不同波長(zhǎng)發(fā)射的脈沖對(duì)的不同系列；
圖15圖示出脈沖對(duì)配置的三個(gè)示例；
圖16圖示出用以生成空間分集樣本的時(shí)間過(guò)采樣的原理；
圖17圖示出用于單個(gè)脈沖對(duì)的示例反向散射強(qiáng)度信號(hào)針對(duì)采樣時(shí)間；
圖18a和18b圖示出空間分集樣本如何能夠避免衰落的問(wèn)題；
圖19圖示出在一個(gè)分析面元中處理分集樣本以生成用于每個(gè)通道的相位值；
圖20圖示出如何可以選擇分析面元中的所選通道數(shù)目以用于組合；
圖21示出了針對(duì)分析面元的通道所計(jì)算的相位值的示例和針對(duì)一個(gè)通道與其他通道的相似性所確定的得到的質(zhì)量度量；
圖22示出了針對(duì)分析面元的通道所計(jì)算的相位值的另一示例；
圖23示出了用于分析面元的組合波形的示例；
圖24圖示出來(lái)自諸如圖9a中所示的一系列脈沖對(duì)的發(fā)射的返回物；以及 圖25圖示出用于傳感器通道的諸如圖24中所示的所檢測(cè)信號(hào)的處理的一個(gè)實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0088]相對(duì)于圖1來(lái)圖示出分布式聲學(xué)傳感器的詢問(wèn)器單元的一般部件。在使用中，詢問(wèn)器單元100被連接到充當(dāng)感測(cè)光纖的光纖101。使用常規(guī)光纖耦合手段將感測(cè)光纖耦合到詢問(wèn)器的輸出/輸入。該詢問(wèn)器單元被布置成向感測(cè)光纖101中發(fā)射相干光學(xué)輻射的脈沖并檢測(cè)來(lái)自所述脈沖的任何福射，其在光纖內(nèi)被Rayleigh反向散射。為了生成光學(xué)脈沖，詢問(wèn)器單元100包括至少一個(gè)激光器102。激光器的輸出被生成如稍后將描述的脈沖配置的光學(xué)調(diào)制器所接收。從光學(xué)調(diào)制器103輸出的脈沖然后例如經(jīng)由循環(huán)器104被傳輸?shù)礁袦y(cè)光纖101中。
[0089]從在感測(cè)光纖內(nèi)傳播的所述光學(xué)脈沖反向散射的任何光學(xué)輻射再次地例如經(jīng)由循環(huán)器104而被引導(dǎo)到至少一個(gè)光檢測(cè)器105。檢測(cè)器輸出被模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 106所采樣，并且來(lái)自ADC的樣本被傳遞至處理電路107以用于處理。處理電路107處理檢測(cè)器樣本以確定用于多個(gè)分析面元中的每一個(gè)的相位值，每個(gè)分析面元對(duì)應(yīng)于光纖的不同縱向感興趣感測(cè)部分。將注意的是，詢問(wèn)器單元可以包括各種其他部件，諸如放大器、衰減器、濾波器等，但是在圖1中為了解釋詢問(wèn)器的一般功能時(shí)的清楚起見而已經(jīng)省略了此類部件。
[0090]在本發(fā)明的實(shí)施例中，激光器102和調(diào)制器103被配置成以特定的發(fā)射速率產(chǎn)生至少一個(gè)系列的脈沖對(duì)。每個(gè)脈沖對(duì)至少包括第一脈沖和第二脈沖，并且優(yōu)選地第一和第二脈沖在時(shí)間上相互分離，如圖2中所圖示。圖2示出了處于第一頻率Fl且具有持續(xù)時(shí)間dl的第一脈沖201，短時(shí)間之后其后面是具有第二頻率F2且具有第二持續(xù)時(shí)間d2的第二脈沖202。在一些實(shí)施例中，兩個(gè)脈沖F1、F2的頻率是相等的，而在其他實(shí)施例中，其是不同的，如稍后將解釋的。優(yōu)選地，兩個(gè)脈沖dl、d2的持續(xù)時(shí)間(和因此的空間寬度)彼此相等，雖然該情況不需要如此。兩個(gè)脈沖201、202具有在時(shí)間上等于Ts的間隔(如所示的，Ts表示脈沖的前沿之間的時(shí)間間隔)。
[0091]當(dāng)具有此類配置的脈沖對(duì)在光纖內(nèi)傳播時(shí)，一些光將從來(lái)自光纖內(nèi)的本征散射部位的每個(gè)脈沖被散射。此反向散射光中的至少一些將被引導(dǎo)回到光纖的起始點(diǎn)，在那里其能夠被檢測(cè)。在任何時(shí)刻，到達(dá)檢測(cè)器的光可以包括從來(lái)自第一范圍的散射部位的第一脈沖所散射的光和從來(lái)自第二范圍的散射部位的第二脈沖所散射的光。
[0092]圖3圖示出脈沖對(duì)在光纖中的傳播，并示出了沿著光纖的距離針對(duì)時(shí)間。線301和302分別地圖示出第一脈沖的前沿和后沿，并且線303和304分別地圖示出第二脈沖的前沿和后沿。因此，在時(shí)間h，第一脈沖的前沿進(jìn)入光纖，并且在時(shí)間h，第一脈沖的后沿進(jìn)入光纖。h和^之間的時(shí)間因此對(duì)應(yīng)于第一脈沖的持續(xù)時(shí)間，即dl。在時(shí)間t2，第二脈沖的前沿進(jìn)入光纖，并且在&，第二脈沖的后沿進(jìn)入光纖。因此，12與t3之間的時(shí)間等于第二脈沖持續(xù)時(shí)間d2，并且h和12之間的時(shí)間等于脈沖間隔時(shí)間Ts。脈沖在光纖中以等于c/η的速度傳播，其中，c是光速，并且η是光纖的有效折射率。因此，線301、302、303和304的梯度等于c/n。這意味著在光纖中第一和第二脈沖將分別地具有由線301和302之間以及線303和304之間的垂直距離所表示的等于W1和W2的寬度。
[0093]隨著脈沖在光纖中傳播，一些光將被朝著光纖的起始點(diǎn)反向散射。此反向散射光也將以等于c/n的速度行進(jìn)。考慮到達(dá)檢測(cè)器的光。線305表示可能在時(shí)刻〖4在光纖的起始點(diǎn)處接收到的光的軌跡。在一定時(shí)間和位于線305上的到光纖中的距離下發(fā)生的任何反向散射可以在同一時(shí)刻t4在光纖起始點(diǎn)處被接收。因此，能夠看到的是，在第一范圍的時(shí)間來(lái)自被第一脈沖所照亮的光纖的第一區(qū)段的光將與在不同范圍的時(shí)間從光纖的第二、不同區(qū)段所散射的光一致。還可以看到的是，隨著從脈沖散射的任何光以與脈沖本身向前傳播的相同速率向后行進(jìn)至光纖的起始點(diǎn)，光纖的第一區(qū)段的寬度等于光纖中的第一脈沖的寬度的一半，即Wi/2，并且同樣地，光纖的第二區(qū)段的寬度等于光纖中的第二脈沖的寬度的一半，即W2/2。并且，光纖的第一和第二區(qū)段之間的物理間隔等于光纖中的脈沖的物理間隔的一半。
[0094]這意味著,如圖4中所圖示的,在任何時(shí)刻,在光纖起始點(diǎn)處接收到的反向散射光對(duì)應(yīng)于來(lái)自被第一脈沖照亮的散射部位的第一區(qū)段401以及來(lái)自被第二脈沖照亮的散射部位的第二區(qū)段402的光纖中的反向散射。散射部位的這些區(qū)段之間的距離被稱為計(jì)量長(zhǎng)度Le。如所圖示的，可以在散射部位的區(qū)段401和402的中部之間測(cè)量計(jì)量長(zhǎng)度。
[0095]在任何時(shí)刻在檢測(cè)器處接收到的反向散射信號(hào)因此是從來(lái)自所有這些散射部位的散射光的組合得到的干涉信號(hào)。實(shí)際上，在任何時(shí)刻的反向散射信號(hào)對(duì)應(yīng)于由區(qū)段401和402內(nèi)的散射部位的位置所定義的來(lái)自行進(jìn)干涉儀的信號(hào)。將認(rèn)識(shí)到的是，將全部處于頻率F2下的來(lái)自第二位置402的所有散射部位的反向散射能夠被視為進(jìn)行干涉以產(chǎn)生來(lái)自第二散射部位的復(fù)合信號(hào)，并且同樣地，將全部處于第一頻率Fl下的來(lái)自第一區(qū)段401的所有散射部位的反向散射能夠被視為進(jìn)行干涉以產(chǎn)生來(lái)自第一散射部位的復(fù)合信號(hào)。這兩個(gè)復(fù)合信號(hào)然后也將干涉。
[0096]本發(fā)明的分布式聲學(xué)傳感器依賴于這樣的事實(shí)，即入射在光纖上的任何聲波可以引起光纖中的擾動(dòng)，例如應(yīng)變，其因此能夠?qū)τ尚羞M(jìn)干涉儀所生成的干涉信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制。如將理解的，一直到散射部位的第二區(qū)段402的位置的光纖上發(fā)生的任何相位變化都將同樣地影響來(lái)自光纖的第一區(qū)段401和第二區(qū)段402的光。然而，第一區(qū)段401和第二區(qū)段402之間的光纖區(qū)段上的任何相位調(diào)制Φ (t)將僅影響來(lái)自第一區(qū)段401的光。這能夠弓丨起干涉信號(hào)的相位中的變化。從光纖的特定區(qū)段檢測(cè)干涉信號(hào)中的相位變化因此能夠被用作光纖上的聲學(xué)引起的應(yīng)變的指示，并且因此用作在該光纖區(qū)段處入射的聲波的指示。[0097]本發(fā)明的實(shí)施例確保脈沖持續(xù)時(shí)間以及檢測(cè)器和處理布置是這樣的，使得傳感器帶寬足以檢測(cè)即時(shí)樣本中的反向散射信號(hào)的所有頻率分量。這允許以良好的信噪比和良好的空間分辨率來(lái)檢測(cè)調(diào)相信號(hào)。能夠以各種方式來(lái)生成此信號(hào)的分析版本。
[0098]在一個(gè)實(shí)施例中，脈沖配置是這樣的，使得第一脈沖的頻率不同于第二脈沖的頻率，即Fi關(guān)F2。這將導(dǎo)致具有處于等于脈沖之間的頻率差(If1- F2|)的載波頻率下的分量的反向散射干涉信號(hào)。通過(guò)監(jiān)視此載波頻率的相位，能夠檢測(cè)由于聲學(xué)擾動(dòng)而引起的任何相位調(diào)制。
[0099]在本發(fā)明的此實(shí)施例中，因此一系列的脈沖對(duì)被發(fā)射到光纖中，其中，該系列中的每個(gè)脈沖對(duì)具有相同的頻率配置，即具有頻率Fl和持續(xù)時(shí)間dl的脈沖，在其之后的時(shí)間Ts，后面是具有頻率F2和持續(xù)時(shí)間d2的脈沖。脈沖對(duì)到光纖中的發(fā)射速率(也稱為ping速率)與這些脈沖對(duì)的載波頻率有關(guān)，使得連續(xù)發(fā)射之間的時(shí)間等于載波頻率下的信號(hào)演進(jìn)預(yù)定相位量所花費(fèi)的時(shí)間。
[0100]本發(fā)明的本實(shí)施例依賴于在脈沖對(duì)的連續(xù)發(fā)射之間正保持的感興趣聲學(xué)帶寬內(nèi)的載波。因此，脈沖對(duì)被發(fā)射到光纖中且在檢測(cè)器處所接收的反向散射信號(hào)以間隔被采樣以提供多個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)于光纖內(nèi)的散射部位的不同位置。在與載波頻率下的信號(hào)改變預(yù)定相位量所花費(fèi)的時(shí)間相對(duì)應(yīng)的某個(gè)間隔之后，另一脈沖對(duì)被發(fā)射到光纖中，并且在發(fā)射之后以相同的間隔獲取另外的多個(gè)樣本。只要希望監(jiān)視光纖，就重復(fù)這一點(diǎn)。
[0101]針對(duì)每個(gè)通道(由脈沖對(duì)的發(fā)射之后的某個(gè)采樣時(shí)間定義)，連續(xù)的檢測(cè)器輸出將提供由脈沖對(duì)的脈沖之間的頻率差所定義的載波頻率下的調(diào)相載波信號(hào)。
[0102]返回參考圖1，調(diào)制器103因此可以包括用于對(duì)由激光器102所生成的光輻射的頻率進(jìn)行調(diào)制的聲光調(diào)制器(Α0Μ)。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，AOM可以由驅(qū)動(dòng)頻率(Fd)來(lái)驅(qū)動(dòng)，并且在操作中，使輸出光的光學(xué)頻率移位了等于驅(qū)動(dòng)頻率的頻率。因此，通過(guò)在第一脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)以第一驅(qū)動(dòng)頻率且在第二脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)以第二不同驅(qū)動(dòng)頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)Α0Μ，第一脈沖中的光將具有與第二脈沖中的光的頻率不同的得到的頻率，并且脈沖之間的頻率差將等于被用于AOM的各驅(qū)動(dòng)頻率之間的頻率差。換言之，能夠通過(guò)控制用來(lái)驅(qū)動(dòng)AOM的驅(qū)動(dòng)頻率來(lái)控制脈沖對(duì)的載波頻率。激光器和AOM是相位相干的，并且因此每個(gè)脈沖對(duì)中的脈沖具有相同的性質(zhì)，如同其是從運(yùn)行在相關(guān)頻率下的兩個(gè)穩(wěn)定源所導(dǎo)出的一樣。
[0103]在一個(gè)布置中，載波頻率與發(fā)射速率有關(guān),使得載波頻率小于發(fā)射速率的一半，使得載波頻率下的信號(hào)只能在連續(xù)發(fā)射之間在相位中改變小于180°。實(shí)際上，這意味著用于每個(gè)通道的逐發(fā)射采樣率處于準(zhǔn)確地在載波頻率下重新創(chuàng)建信號(hào)所需的尼奎斯特(Nyquist)極限以上。
[0104]在一個(gè)布置中，載波頻率被布置成是發(fā)射速率的四分之一，使得處于載波頻率下的信號(hào)在連續(xù)脈沖對(duì)的發(fā)射之間在相位中演進(jìn)90°。
[0105]使用90°的相位變化能夠易于處理，如將描述的，但是也允許調(diào)制帶寬的有效使用。如技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的，在頻域中，任何調(diào)制都可以加寬處于載波頻率的感興趣信號(hào)周圍的頻譜。在DC周圍以及在圖像頻率(是載波頻率的兩倍)下也將觀察到相似效果。通過(guò)確保載波信號(hào)處于尼奎斯特極限的一半，與DC分量或圖像頻率分量交叉之前的可用帶寬被最大化。[0106]圖5圖示出本發(fā)明的本實(shí)施例如何進(jìn)行操作。圖5圖示出來(lái)自具有如上所述的頻率配置的脈沖對(duì)的一系列連續(xù)發(fā)射的已采樣的檢測(cè)器輸出，其中，該對(duì)中的脈沖之間的頻率差等于Ping速率的四分之一，即脈沖對(duì)的發(fā)射速率的四分之一。在所示的示例中，Ping速率是20 kHz，其可以是與在長(zhǎng)度上約為5km或以下的光纖長(zhǎng)度一起使用的典型ping速率，以便確保在任何的一個(gè)時(shí)間只有一個(gè)脈沖對(duì)正在光纖內(nèi)傳播。
[0107]因此，在本示例中，每50s向光纖中發(fā)射脈沖對(duì)，并檢測(cè)隨著脈沖對(duì)傳播經(jīng)過(guò)光纖而由該脈沖對(duì)所生成的反向散射返回信號(hào)。在脈沖對(duì)的每次發(fā)射之后，以相對(duì)高的速率對(duì)檢測(cè)器輸出進(jìn)行采樣，例如約80—100 MHz,以檢測(cè)來(lái)自光纖內(nèi)的多個(gè)不同位置的反向散射信號(hào)。在此樣本時(shí)鐘域中，散射部位的隨機(jī)相位變化導(dǎo)致強(qiáng)度上的隨機(jī)變化，這破壞了載波頻率，并且可能檢測(cè)不到可使用的信號(hào)。
[0108]然而，在光纖中的任何給定位置處，仍可以逐發(fā)射在載波頻率下觀察到強(qiáng)度上的變化。因此，通過(guò)比較來(lái)自光纖的同一區(qū)段的反向散射干涉信號(hào)，可以檢測(cè)到載波信號(hào)，該光纖的同一區(qū)段來(lái)自不同脈沖對(duì)。圖5圖示出通過(guò)取得在每個(gè)脈沖對(duì)的發(fā)射之后同時(shí)地獲取的適當(dāng)樣本，可以檢測(cè)到處于等于發(fā)射速率的四分之一的頻率下的載波信號(hào)。此載波信號(hào)將被如上所述影響光纖的相關(guān)區(qū)段的任何聲信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，并因此通過(guò)隨時(shí)間推移而監(jiān)視此載波信號(hào)的相位，能夠檢測(cè)到入射在光纖的相關(guān)區(qū)段上的任何聲信號(hào)。
[0109]圖6圖示出可以如何由處理電路107來(lái)處理此已調(diào)制載波信號(hào)以確定載波信號(hào)的相位的一個(gè)實(shí)施例?？梢詫?duì)表示用于傳感器的一個(gè)通道的已調(diào)制載波信號(hào)的樣本進(jìn)行高通濾波601來(lái)僅使處于相關(guān)載波頻率下的信號(hào)通過(guò)。然后可以將已濾波信號(hào)劃分成兩個(gè)處理通道，并且可以將每個(gè)通道中的信號(hào)在載波頻率下與正弦602和余弦603函數(shù)相乘，以便生成同相(I)和正交(Q)分量，如在復(fù)解調(diào)方案中已知的。在已知相位差是90°的情況下，這僅包括乘以+1和-1。然后可以對(duì)得到的I和Q信號(hào)進(jìn)行低通濾波604和605并通過(guò)直角坐標(biāo)至極坐標(biāo)(RP)轉(zhuǎn)換606來(lái)將其轉(zhuǎn)換成相位值。RP轉(zhuǎn)換還可以可選地生成振幅值?？梢钥蛇x地對(duì)所產(chǎn)生的相位值Otl進(jìn)行高通濾波607。
[0110]因此，使用從一系列脈沖對(duì)的連續(xù)發(fā)射針對(duì)每個(gè)通道獲取的樣本，能夠檢測(cè)到調(diào)相載波信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，并且因此能夠檢測(cè)到由作用于光纖的相關(guān)區(qū)段上的聲信號(hào)所引起的任何相位變化。
[0111]將理解的是，由于該系列的脈沖對(duì)中的每個(gè)脈沖對(duì)具有相同的頻率配置，即處于頻率Fl下的第一脈沖和處于頻率F2下的第二脈沖，則如果來(lái)自兩個(gè)不同脈沖對(duì)的反向散射信號(hào)同時(shí)入射在檢測(cè)器上，則反向散射信號(hào)將在相關(guān)載波頻率下與另一個(gè)相干涉。因此，可以限制脈沖對(duì)的發(fā)射速率，以便確保在任何一個(gè)時(shí)間在光纖中存在來(lái)自僅一個(gè)脈沖對(duì)的輻射。因此，發(fā)射之間的時(shí)間應(yīng)足以允許來(lái)自脈沖對(duì)的所有輻射到達(dá)光纖的末端，并且從光纖的末端反射或散射的任何輻射在發(fā)射另一脈沖對(duì)之前到達(dá)檢測(cè)器。因此可以由光纖的長(zhǎng)度來(lái)限制脈沖對(duì)的最大發(fā)射速率。具有約5km的長(zhǎng)度的光纖可以利用達(dá)到約20kHz的發(fā)射速率進(jìn)行操作(假設(shè)約1.48的折射率)。具有約40km的長(zhǎng)度的光纖可以要求發(fā)射速率低于
2.5kHz。在使用長(zhǎng)得多的光纖長(zhǎng)度的情況下，可以存在可以從其檢測(cè)到反向散射信號(hào)的到光纖中的最大范圍，并且在這種情況下，其也許有可能以允許用于來(lái)自每個(gè)脈沖對(duì)的輻射到達(dá)最大范圍的此點(diǎn)并在連續(xù)發(fā)射之間返回到檢測(cè)的時(shí)間的速率來(lái)發(fā)射脈沖。在發(fā)射之后的此時(shí)間，雖然仍可能存在來(lái)自光纖中的原始脈沖對(duì)的一些輻射，但到達(dá)檢測(cè)器的任何此類散射輻射將是無(wú)關(guān)緊要的。
[0112]然而，在一個(gè)實(shí)施例中，能夠通過(guò)使用偏振來(lái)增加脈沖對(duì)的總體發(fā)射速率以在連續(xù)脈沖對(duì)之間進(jìn)行辨別。在本實(shí)施例中，在第一偏振狀態(tài)下向光纖中發(fā)射一個(gè)脈沖對(duì)。下一個(gè)脈沖對(duì)以第二、不同偏振狀態(tài)被發(fā)射到光纖中。第一和第二偏振狀態(tài)被如此選擇，使得以與來(lái)自第二脈沖對(duì)的反向散射信號(hào)的偏振狀態(tài)正交的偏振狀態(tài)在檢測(cè)器處接收來(lái)自第一脈沖對(duì)的反向散射信號(hào)。這樣，能夠通過(guò)使用偏振敏感元件來(lái)將相關(guān)反向散射信號(hào)進(jìn)行分離。
[0113]因此，用于生成詢問(wèn)脈沖的光程可以包括如圖7中所示的可變起偏器元件。圖7示出了一系列脈沖對(duì)可以從如上所述可以包括AOM的調(diào)制器103輸出，并入射在可變起偏器元件702上?？勺兤鹌髟饔糜诿}沖對(duì)上以確保包括脈沖對(duì)的所有光被偏振至一個(gè)偏振狀態(tài)并確保連續(xù)脈沖對(duì)具有不同的偏振狀態(tài)。在所示的示例中，偏振狀態(tài)是正交線性偏振狀態(tài)，諸如垂直和水平偏振，雖然可以替代地使用任何正交偏振狀態(tài)，諸如右和左圓形偏振。
[0114]圖8圖示出然后可以被用來(lái)在反向散射信號(hào)之間進(jìn)行辨別的檢測(cè)器布置的一個(gè)實(shí)施例。從光纖接收到的反向散射光被引導(dǎo)向偏振兀件801,其在本不例中是偏振相關(guān)射束分離器。此射束分離器801將具有一個(gè)偏振狀態(tài)的(比方說(shuō)水平偏振的)光引導(dǎo)到第一檢測(cè)器802，并將具有正交偏振狀態(tài)的(垂直偏振的)光引導(dǎo)到不同檢測(cè)器803。因此，每個(gè)檢測(cè)器僅接收單偏振狀態(tài)的光，并且因此僅接收從脈沖對(duì)中的一個(gè)反向散射的光。因此，能夠如上文所討論地處理來(lái)自每個(gè)檢測(cè)器的信號(hào)以獨(dú)立于其他脈沖對(duì)而從每個(gè)脈沖對(duì)生成一系列相位值。
[0115]將認(rèn)識(shí)到的是，這種技術(shù)依賴于被保持在光纖中的脈沖對(duì)之間的輸入偏振差。在常規(guī)光纖中，將針對(duì)光纖中的某個(gè)范圍保持輸入偏振差。此外，導(dǎo)致光纖中的偏振上的變化的任何因素都可能影 響兩個(gè)偏振狀態(tài)。因此，該檢測(cè)器布置可以包括偏振調(diào)制器804以補(bǔ)償在光纖內(nèi)發(fā)生的任何一般偏振漂移?？梢栽谑褂弥姓{(diào)整偏振調(diào)制器以匹配偏振漂移中的任何變化，例如通過(guò)僅利用已知偏振的光來(lái)周期性地照亮光纖并檢測(cè)兩個(gè)檢測(cè)器處的響應(yīng)。替換地，可以在輸出光學(xué)布置中包括偏振調(diào)制器以向被發(fā)射到光纖中的脈沖施加預(yù)先補(bǔ)償。
[0116]作為使用偏振射束分離器和兩個(gè)檢測(cè)器元件802的替代，可以包括可變起偏器元件，其向單個(gè)檢測(cè)器(比方說(shuō)檢測(cè)器801)傳輸光，但是其在兩個(gè)正交狀態(tài)之間快速地改變偏振。因此，可以將檢測(cè)器802布置成比方說(shuō)在水平偏振下取得一個(gè)樣本，以及然后在垂直偏振下取得另一樣本。處理因此可以基于適當(dāng)脈沖對(duì)的發(fā)射時(shí)間來(lái)從適當(dāng)?shù)奶幚碇袑⒚扛粢粋€(gè)樣本分離成不同的流。
[0117]在另一實(shí)施例中，作為使用不同頻率下的兩個(gè)脈沖的替代，脈沖對(duì)的脈沖可以處于與另一個(gè)相同的頻率。在本實(shí)施例中Fl = F2。然而，該脈沖對(duì)被如此生成，使得該對(duì)中的脈沖之間的相位差在連續(xù)脈沖對(duì)之間改變預(yù)定量。
[0118]圖9圖示出根據(jù)本發(fā)明的此實(shí)施例的可以生成的脈沖對(duì)系列的一些示例。示出了每個(gè)系列中的四個(gè)脈沖對(duì)，每個(gè)包括處于相同頻率(Fl = F2)下的兩個(gè)脈沖。
[0119]系列(I)示出了一系列脈沖對(duì)的第一示例。在第一脈沖對(duì)中，在該對(duì)中的脈沖之間存在△ F的相對(duì)相位差。這將是可能由于用來(lái)生成脈沖對(duì)的光學(xué)部件的布置而出現(xiàn)的任意相位差。在一些布置中，第一脈沖對(duì)的兩個(gè)脈沖可以是同相的，并且因此AF的值可以是零。
[0120] 在下一個(gè)脈沖對(duì)中，該對(duì)中的脈沖之間的相位差被控制為從前一脈沖對(duì)的相位差變化預(yù)定量，在本示例中為90° (雖然可以使用其他相位變化量，如果優(yōu)選的話)。換言之，第二脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差等于Δ F+90。。在第三脈沖對(duì)中，該對(duì)中的脈沖之間的相位差再次被控制為Λ F，并且在第四脈沖對(duì)中，相位差再次是Λ P+90°。這樣，存在90 °的連續(xù)脈沖對(duì)之間的相對(duì)相位差。
[0121 ] 脈沖對(duì)之間的相位差上的此變化將導(dǎo)致來(lái)自光纖的給定區(qū)段的反向散射干涉信號(hào)中的變化，其能夠被用來(lái)確定用于光纖的相關(guān)區(qū)段的相位值。返回參考圖4，將回想起在任何時(shí)刻在檢測(cè)器處接收到的反向散射信號(hào)是來(lái)自一定范圍的散射部位的組合信號(hào)，該一定范圍是來(lái)自被第一脈沖照亮的光纖的第一區(qū)段401的散射部位的范圍和來(lái)自被第二脈沖照亮的第二區(qū)段402的散射部位的范圍。如上所述，來(lái)自第一區(qū)段401的所有散射部位的返回物將干涉在一起，來(lái)自第二區(qū)段的所有散射部位的返回物也將是這樣。然而，出于解釋的目的，考慮來(lái)自第一區(qū)段401的單個(gè)(第一)散射部位和來(lái)自第二區(qū)段402的單個(gè)(第二)散射部位。
[0122]從第二散射部位到達(dá)檢測(cè)器的光的相位將取決于脈沖對(duì)的第二脈沖的光的初始相位和到第二散射部位及返回到檢測(cè)器的有效路徑長(zhǎng)度。從第一散射部位到達(dá)檢測(cè)器的光的相位將取決于脈沖對(duì)的第一脈沖的光的初始相位和到第一散射部位及返回到檢測(cè)器的有效路徑長(zhǎng)度。往返于第一散射部位的路徑長(zhǎng)度等于往返于第二散射部位的路徑長(zhǎng)度加上從第二散射部位到第一散射部位并再次返回的附加路徑長(zhǎng)度。因此，從第一和第二散射部位所散射的信號(hào)之間的相位上的差取決于散射部位之間的路徑長(zhǎng)度及第一和第二脈沖的光之間的任何相位差。
[0123]如果第一和第二散射部位由兩個(gè)連續(xù)脈沖對(duì)以足以使得在連續(xù)脈沖之間的光纖中發(fā)生的任何路徑長(zhǎng)度變化非常小的速率所照亮，則將清楚的是，影響反向散射信號(hào)的相位差上的任何變化的唯一因素將是脈沖對(duì)的脈沖的相位差上的變化。因此，如果第一脈沖對(duì)在該脈沖對(duì)中的脈沖之間具有初始相位差Λ F，則這將導(dǎo)致在檢測(cè)器處接收到的反向散射信號(hào)中的某個(gè)相位差(Λ P’)。如果第二脈沖對(duì)然后具有相位差Λ F+90°，則這將導(dǎo)致來(lái)自第一和第二散射部位的反向散射信號(hào)中的ΛΡ’+90°的相位差。
[0124]如技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的，在相同頻率的兩個(gè)信號(hào)彼此相干涉的情況下，結(jié)果是相同頻率的但具有取決于干涉信號(hào)之間的相位差(及其初始振幅)的振幅的信號(hào)，如圖10中所圖示。圖10圖示出可以從第一和第二散射部位接收到的反向散射信號(hào)和將檢測(cè)到的得到的干涉信號(hào)。為了簡(jiǎn)單起見，用相同的振幅說(shuō)明來(lái)自第一和第二散射部位的返回物，雖然將認(rèn)識(shí)到的是，實(shí)際上情況可以不是這樣。上部曲線圖示出了在利用脈沖之間具有相位差Δ P的第一脈沖對(duì)來(lái)照亮?xí)r的反向散射信號(hào)。曲線1001圖示出來(lái)自第一散射部位的來(lái)自反向散射信號(hào)的信號(hào)以及曲線1002圖示出來(lái)自第二散射部位的信號(hào)。在這些信號(hào)之間存在由上述因素所確定的某個(gè)相位差。曲線1003表示得到的干涉信號(hào)。
[0125]下部曲線圖示出了在利用脈沖之間具有Λ P+90°的相位差的第二脈沖對(duì)來(lái)照亮?xí)r的反向散射信號(hào)。曲線1001再次地示出來(lái)自第一散射部位的反向散射信號(hào)。曲線1004示出了來(lái)自第二散射部位的反向散射信號(hào)，以及曲線1005示出了得到的干涉信號(hào)。將注意的是，為了易于比較，在兩個(gè)曲線圖中在相同的相位位置中示出了曲線1001。當(dāng)然，在實(shí)踐中這可以實(shí)際上不發(fā)生，并且可以存在任意相位變化。然而，重要的是來(lái)自第一和第二散射部位的反向散射信號(hào)之間的相對(duì)相位差一僅僅由連續(xù)脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位改變中的變化所確定。
[0126]第一和第二脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差上的變化導(dǎo)致反向散射信號(hào)中的相位變化，其導(dǎo)致得到的干涉信號(hào)中的總振幅變化，該總振幅變化能夠被用來(lái)確定用于第一和第二散射部位之間的光纖區(qū)段的相位值。在連續(xù)脈沖對(duì)之間的相位變化是90°的情況下，如在本示例中，這些干涉信號(hào)表示同相(I)和正交(Q)分量，并且信號(hào)的低通濾波能夠被用來(lái)導(dǎo)出I和Q值，其然后能夠被用來(lái)通過(guò)常規(guī)直角坐標(biāo)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來(lái)導(dǎo)出相位值。當(dāng)然，可以針對(duì)連續(xù)脈沖對(duì)之間的相位差上的變化和所使用的其他轉(zhuǎn)換技術(shù)而使用其他相位值。
[0127]以上分析已經(jīng)為了易于解釋而集中于來(lái)自第一和第二區(qū)段中的每個(gè)的來(lái)自單個(gè)散射部位的散射。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，當(dāng)一起考慮所有散射部位時(shí)，總體效果一般是相同的。
[0128]圖24圖示出本發(fā)明的本實(shí)施例如何進(jìn)行操作。圖24圖示出來(lái)自諸如圖9 (a)中所示的脈沖對(duì)的一系列連續(xù)發(fā)射的所采樣的檢測(cè)器輸出，其中，連續(xù)脈沖對(duì)在該對(duì)的脈沖之間具有改變90°的相位差。
[0129]以例如20KHz的適合于傳感器的發(fā)射(ping)速率向光纖中發(fā)射脈沖對(duì)。檢測(cè)隨著脈沖對(duì)經(jīng)過(guò)光纖傳播而由脈沖對(duì)所生成的反向散射返回信號(hào)。在脈沖對(duì)的每次發(fā)射之后，以相對(duì)高的速率(例如約80—100 MHz)對(duì)檢測(cè)器輸出進(jìn)行采樣，以檢測(cè)來(lái)自光纖內(nèi)的多個(gè)不同位置的反向散射信號(hào)，并確保針對(duì)每個(gè)感興趣感測(cè)部分獲取多個(gè)樣本。
[0130]在光纖中的任何給定位置處，因此逐發(fā)射在相關(guān)測(cè)量信號(hào)中存在90°相位差。因此逐發(fā)射的來(lái)自光纖的給定區(qū)段的信號(hào)能夠被用來(lái)通過(guò)使用連續(xù)樣本作為I和Q信號(hào)而確定影響光纖的任何相位調(diào)制。
[0131]圖25圖不出可以如何由處理電路107來(lái)處理反向散射信號(hào)以確定相位值的一個(gè)實(shí)施例。
[0132]接收來(lái)自光纖的給定區(qū)段(即給定通道)的反向散射樣本，并由開關(guān)2501將交替樣本分別地切換至同相(I)和正交(Q)信號(hào)路徑中。在每個(gè)信號(hào)路徑中，高通濾波器2502可以去除不想要的信號(hào)分量，并且然后可以對(duì)I和Q信號(hào)進(jìn)行低通濾波2503并通過(guò)直角坐標(biāo)至極坐標(biāo)(RP)轉(zhuǎn)換2504來(lái)將其轉(zhuǎn)換成相位值。RP轉(zhuǎn)換還可以可選地生成振幅值?？梢钥蛇x地對(duì)所產(chǎn)生的相位值Otl進(jìn)行高通濾波2505。
[0133]因此，使用針對(duì)來(lái)自一系列脈沖對(duì)的連續(xù)發(fā)射的每個(gè)通道所獲取的樣本，利用連續(xù)脈沖對(duì)的脈沖之間的相位差上的引起的變化，能夠恢復(fù)測(cè)量信號(hào)的分析版本并將其用來(lái)導(dǎo)出相位值，使得能夠檢測(cè)由作用于光纖的相關(guān)區(qū)段上的聲信號(hào)所引起的任何相位變化。
[0134]返回參考圖9，第一系列的脈沖對(duì)在連續(xù)脈沖對(duì)之間具有交替相位差。系列(2)示出脈沖對(duì)的交替系列的示例，其中，在連續(xù)脈沖對(duì)之間施加相同的相對(duì)相位變化。
[0135]為了解釋，將參考該系列中的第一脈沖的相位來(lái)定義每個(gè)脈沖的相對(duì)相位。因此，第一脈沖對(duì)的第一脈沖將被取為具有0°的相對(duì)相位。此第一脈沖對(duì)中的第二脈沖將具有與此第一脈沖的任意相位差Ρ1，其由用來(lái)生成脈沖的光學(xué)器件的布置而引起。在一些布置中，第一脈沖對(duì)中的第一和第二脈沖之間的相位差可以是零，即Pl = 0°。[0136]對(duì)于第二脈沖對(duì)而言，第一脈沖將具有與第一脈沖對(duì)的第一脈沖的另一任意相位差P2，其再次地可以是用來(lái)生成脈沖的光學(xué)器件的函數(shù)。由于使用相同的一般光學(xué)布置來(lái)生成每個(gè)脈沖對(duì)中的脈沖，所以將預(yù)期的是，在第二脈沖對(duì)的脈沖之間也將存在脈沖之間的相同相位差Pl。
[0137]在不存在任何外部調(diào)制(或熱漂移)的情況下，人們因此可以預(yù)計(jì)每個(gè)脈沖對(duì)中的第一脈沖在相位方面與前一脈沖對(duì)的第一脈沖相差P2的相對(duì)相位差，并且人們還將預(yù)計(jì)等于Pl的一對(duì)的脈沖之間的相對(duì)相位差。
[0138]然而，本實(shí)施例故意地引入每個(gè)脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差，其在連續(xù)脈沖對(duì)之間變化。在所示的示例中，引入的相位差是90°的正相位差。第一脈沖對(duì)是以脈沖之間的固有相位差(即Pl)而產(chǎn)生的。然而，對(duì)于第二脈沖對(duì)而言，存在施加于第二脈沖以引入附加的90°相位變化的相位調(diào)制。因此，第二脈沖對(duì)的脈沖之間的相位差等于Pl + 90°。對(duì)于第三脈沖對(duì)而言，施加于第二脈沖的相位調(diào)制被增加另外的90 °。因此，第二脈沖對(duì)的脈沖之間的相位差等于Pl + 180°。對(duì)于第四脈沖對(duì)而言，相位調(diào)制被進(jìn)一步增加90°，使得第四脈沖對(duì)的脈沖之間的相位差等于Pl + 270°。對(duì)于未示出的第五脈沖對(duì)而言，可以將相位調(diào)制重置為O°。
[0139]因此，在每個(gè)連續(xù)脈沖對(duì)之間，該對(duì)的脈沖之間的相位差改變90°。
[0140]將認(rèn)識(shí)到的是，圖9圖示出施加相位調(diào)制以對(duì)每個(gè)脈沖對(duì)中的第二脈沖的相位進(jìn)行調(diào)制，但是可以替代地向每個(gè)脈沖對(duì)中的第一脈沖施加相位差，或者可以對(duì)一對(duì)中的兩個(gè)脈沖進(jìn)行相位調(diào)制以提供所需相位差。
[0141]可以按照多種方式來(lái)生成脈沖之間的相位變化。例如，返回參考圖1，調(diào)制器103可以包括諸如普克爾斯盒(pockels cell)或液晶電光調(diào)制器的電光調(diào)制器(EOM)以向脈沖中的至少一個(gè)施加受控相位變化。調(diào)制器103因此還可以包括用于形成脈沖的強(qiáng)度調(diào)制器。作為示例，對(duì)于一個(gè)脈沖對(duì)而言，可以控制EOM以不向脈沖對(duì)施加相位變化，該脈沖對(duì)因此將以由于發(fā)生光學(xué)器件的固有相位差而引起的脈沖之間的任何相位差進(jìn)行傳輸。對(duì)于后續(xù)脈沖對(duì)而言，EOM可以向脈沖中的一個(gè)或兩個(gè)脈沖施加相位差，以生成所需相位差。
[0142]圖11示出了調(diào)制器103的替換示例。進(jìn)入光被劃分成兩個(gè)通道1101和1102以便分別地生成第一和第二脈沖。通道101中的光被強(qiáng)度調(diào)制器1103調(diào)制以形成第一脈沖。通道1102中的光入射在EOM 1104上，該EOM 1104施加所需相位調(diào)制(其逐脈沖對(duì)而變化)。然后由強(qiáng)度調(diào)制器1105對(duì)調(diào)相的光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。控制強(qiáng)度調(diào)制器1103和1104的定時(shí)，以便提供脈沖的所需持續(xù)時(shí)間以及脈沖之間的所需時(shí)間間隔。另外或替換地，通道1102中的延遲1106可以提供所需時(shí)間間隔中的至少一些(雖然在一些實(shí)施例中優(yōu)選的是脈沖的時(shí)間間隔是變量，并且固定延遲的使用可能是不適當(dāng)?shù)?。然后將具有所需相位差的兩個(gè)脈沖組合到輸出線以用于傳輸。
[0143]由于連續(xù)脈沖對(duì)具有與彼此相同的頻率，所以可以將脈沖對(duì)的發(fā)射速率如此布置，使得每次用于僅一個(gè)脈沖對(duì)的輻射能夠到達(dá)檢測(cè)器。再次地，如上述實(shí)施例一樣，還可以在連續(xù)脈沖對(duì)之間使用偏振辨別以允許更快的更新速率。
[0144]在另一實(shí)施例中，可以與第二系列的脈沖對(duì)同時(shí)地或接近同時(shí)地向光纖中發(fā)射在對(duì)中的脈沖之間具有相位差上的變化的第一系列的第一和第二脈沖對(duì)，其中第一和第二系列具有不同的偏振狀態(tài)。因此，如圖12中所圖示，可以以水平線性偏振狀態(tài)來(lái)向光纖中發(fā)射第一系列的脈沖對(duì)，其在連續(xù)脈沖對(duì)中的脈沖之間具有變化的相位差。同時(shí)或者接近同時(shí)，可以以垂直線性偏振狀態(tài)向光纖中發(fā)射在連續(xù)脈沖對(duì)之間具有相位變化的第二系列的脈沖對(duì)。兩個(gè)脈沖對(duì)因此將一起沿光纖向下傳播，并且將同時(shí)從光纖的相同區(qū)段生成反向散射信號(hào)。這些反向散射信號(hào)能夠被獨(dú)立地傳遞至不同的檢測(cè)器，例如使用如圖8中所示的檢測(cè)器布置，以允許來(lái)自光纖的給定區(qū)段的同時(shí)或接近同時(shí)的測(cè)量。隨著反向散射信號(hào)展示出偏振相關(guān)性，此類同時(shí)或接近同時(shí)詢問(wèn)可以幫助避免衰落的問(wèn)題，因?yàn)閬?lái)自兩個(gè)系列的信號(hào)可能不會(huì)同時(shí)地衰落。 [0145]可以按照多種不同的方式來(lái)產(chǎn)生具有不同偏振狀態(tài)的兩個(gè)脈沖對(duì)。例如，圖13示出了其中通過(guò)使射束分離器1301偏振成到兩個(gè)不同通道中的水平和線性偏振分量來(lái)分離從強(qiáng)度調(diào)制器1103輸出的脈沖對(duì)。兩個(gè)通道都入射在EOM 1302上，該EOM 1302向脈沖中的至少一個(gè)施加適當(dāng)?shù)南辔蛔兓栽谶B續(xù)脈沖對(duì)中引入相對(duì)相位差，并且然后將兩個(gè)通道重新組合，使得脈沖在時(shí)間上是一致的，以便發(fā)射到光纖中。然而當(dāng)兩個(gè)脈沖是一致的時(shí)，兩個(gè)脈沖的總光學(xué)功率應(yīng)在用于光纖的非線性閾值以下，并且因此為了增加每個(gè)脈沖中可用的功率，可以使實(shí)際脈沖略微交錯(cuò)，如圖12中所圖示的。
[0146]還可以使用波分復(fù)用技術(shù)來(lái)允許一個(gè)以上脈沖對(duì)同時(shí)處于光纖中，例如以增加傳感器的更新速率和/或提供不同的傳感器分辨率或靈敏度。
[0147]將認(rèn)識(shí)到的是，上述技術(shù)依賴于通過(guò)相對(duì)于載波頻率的發(fā)射的定時(shí)或脈沖對(duì)中的脈沖之間的相對(duì)相位差的直接控制，將具有與彼此相同的頻率配置的兩個(gè)不同脈沖對(duì)以脈沖對(duì)之間的預(yù)定相位關(guān)系傳輸?shù)焦饫w中。因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一系列脈沖對(duì)應(yīng)當(dāng)具有相同的頻率配置。然而，可以使用波分技術(shù)來(lái)同時(shí)向光纖中發(fā)射其他系列的詢問(wèn)脈沖。
[0148]圖14圖示出在不同時(shí)間且以不同波長(zhǎng)發(fā)射的一系列脈沖。因此，可以以第一波長(zhǎng)λ I來(lái)發(fā)射第一系列的脈沖對(duì)，在每個(gè)脈沖對(duì)之間具有周期!\。還可以以不同的波長(zhǎng)λ 2向光纖中發(fā)射第二系列的脈沖對(duì)，在此第二系列中的每個(gè)脈沖對(duì)之間具有周期T2，并且還可以再次以不同的波長(zhǎng)λ 3向光纖中發(fā)射第三系列的脈沖對(duì)，在每個(gè)脈沖對(duì)之間具有周期Τ3。每個(gè)系列中的脈沖的發(fā)射之間的時(shí)間不需要是相同的，即T1可以不同于T2和T3中的至少一個(gè)，但是在一些實(shí)施例中，脈沖對(duì)中的至少一些的發(fā)射速率是相同的(即!\可以等于1~2和/或T3),使得相關(guān)系列中的脈沖對(duì)保持某種時(shí)間關(guān)系。
[0149]在此類應(yīng)用中，脈沖對(duì)的相對(duì)發(fā)射時(shí)間可以被如此布置，使得在第一系列的脈沖對(duì)和第二系列的脈沖對(duì)之間存在定義時(shí)間T4,以及在第二系列的脈沖對(duì)與第三系列的脈沖對(duì)之間存在定義時(shí)間T5。可以規(guī)則地布置發(fā)射之間的時(shí)間，使得在本示例中T4 = T5 = 1/3。如果每個(gè)系列的每個(gè)脈沖對(duì)允許來(lái)自光纖的相同區(qū)段的測(cè)量，則此布置與使用單個(gè)脈沖對(duì)相比有效地將來(lái)自光纖的每個(gè)區(qū)段的更新速率增加到三倍。這在監(jiān)視光纖的相對(duì)長(zhǎng)的長(zhǎng)度時(shí)可能是特別有利的，其中，用于單個(gè)脈沖對(duì)系列的發(fā)射速率對(duì)于感興趣聲學(xué)事件而言將提供過(guò)慢的更新速率。
[0150]然而，在另一實(shí)施例中，每個(gè)系列的脈沖對(duì)中的脈沖的定時(shí)可以不規(guī)則地間隔開，即T4古T5且T4和T5兩者可以不同于第三系列的脈沖與第一系列的后續(xù)脈沖之間的時(shí)間。通過(guò)使每個(gè)系列中的脈沖對(duì)的定時(shí)不規(guī)則地間隔開，用于光纖的每個(gè)感測(cè)部分的更新之間的時(shí)間也改變。某個(gè)更新速率可以允許相比其他更新速率的對(duì)一些事件的更好檢測(cè)。例如，如果某個(gè)聲學(xué)事件具有等于傳感器的更新速率的倍數(shù)的頻率，則可能的是，每當(dāng)光纖的相關(guān)感測(cè)部分被采樣時(shí)，檢測(cè)到可以導(dǎo)致聲信號(hào)被錯(cuò)過(guò)的相同返回物。然而，如果在樣本的至少一個(gè)中以不規(guī)則間隔對(duì)光纖的相關(guān)區(qū)段進(jìn)行采樣，則由于聲信號(hào)而引起的變化將是可檢測(cè)的。因此，不規(guī)則間距的使用可以輔助事件的檢測(cè)。此外，以此類不規(guī)則間隔獲取的測(cè)量信號(hào)的處理可能能夠提供比通過(guò)使用脈沖對(duì)的三個(gè)規(guī)則間隔系列可實(shí)現(xiàn)的采樣率更高的合成采樣率。
[0151]這些系列的脈沖對(duì)中的一個(gè)或多個(gè)可以由包括處于相互不同的頻率的脈沖的脈沖對(duì)組成，具有的載波頻率如在以上實(shí)施例中那樣與發(fā)射速率有關(guān)，在該情況下，對(duì)用于脈沖對(duì)的波長(zhǎng)的參考可以指的是基本波長(zhǎng)。
[0152]例如，考慮第一系列的脈沖對(duì)。激光器可以產(chǎn)生波長(zhǎng)λ I (例如1550nm)的光，其對(duì)應(yīng)于ω? (約193.4ΤΗΖ)的基本頻率，其然后被AOM調(diào)制以分別地提供頻率ω 1+f I和ω l+f2的兩個(gè)脈沖(Π和f2是用于針對(duì)每個(gè)脈沖的AO的相關(guān)驅(qū)動(dòng)頻率)。AOM的驅(qū)動(dòng)頻率被如此布置，使得Ifl - f2 (即載波頻率)與發(fā)射速率(1/?\)有關(guān)，以逐發(fā)射提供載波信號(hào)中的所需相位差，即對(duì)于90°的相位差而言，載波頻率可以等于發(fā)射速率的四分之一。因此，載波頻率可以約為幾kHz。
[0153]第二系列(和/或第三系列)還可以包括根據(jù)本實(shí)施例的脈沖對(duì)，即具有在其之間具有與發(fā)射速率有關(guān)的頻率差的脈沖。在用于相關(guān)系列的發(fā)射速率相同的情況下，這可能意味著用于每個(gè)系列的脈沖對(duì)的載波頻率是相同的——但是脈沖的基本頻率是不同的。例如，對(duì)于系列二而言，基本波長(zhǎng)λ 2 (例如1530nm)將對(duì)應(yīng)于ω2 (約195.9ΤΗζ)的基本頻率。處于此基本頻率的光可以由在相同驅(qū)動(dòng)頻率下操作的AOM所調(diào)制，以分別提供頻率ω2+ fl和ω1+?2的兩個(gè)脈沖。用于系列二的載波頻率因此也將是I f1- f2 |。當(dāng)然，如果不同的發(fā)射速率被用于不同的系列，則用于每個(gè)系列的載波頻率也可以相應(yīng)地改變。
[0154]將注意的是，即使將該系列脈沖對(duì)中的脈沖從基本頻率調(diào)制到不同頻率，此調(diào)制與在波分復(fù)用方案中所采用的頻率間隔相比也是相對(duì)小的(例如，上文所討論的波長(zhǎng)1550nm和1530nm分別 導(dǎo)致193.4THz和195.9THz的基本頻率)。因此，可以使用甚至通常在DWDM(密集波分復(fù)用)方案中所使用的不同波長(zhǎng)作為用于不同系列的脈沖對(duì)的基本波長(zhǎng)，并且仍允許來(lái)自每個(gè)系列的脈沖對(duì)的反向散射信號(hào)的分離。
[0155]該系列的脈沖對(duì)中的至少一個(gè)還可以包括相同頻率的脈沖，但是在每個(gè)脈沖之間具有相位差上的變化，如上文相對(duì)于圖9所討論的。另外或替換地，至少一個(gè)系列的脈沖對(duì)可以包括處于不同偏振且在脈沖之間具有相位差上的變化的兩個(gè)脈沖對(duì)的一系列同時(shí)發(fā)射，即如圖12中所示的脈沖對(duì)的一系列發(fā)射。
[0156]將注意的是，雖然上文的討論已集中于被發(fā)射到光纖中的脈沖對(duì)，但是也可以存在被發(fā)射到光纖中的其他脈沖配置。例如，可以將一系列的單個(gè)脈沖以與一系列脈沖對(duì)不同的波長(zhǎng)發(fā)射到光纖中。
[0157]如所述的，多個(gè)系列的脈沖對(duì)的使用可以被用來(lái)提供比單獨(dú)地使用單個(gè)脈沖對(duì)將可能的更快的更新速率。然而，另外，多個(gè)脈沖對(duì)的使用可以被用來(lái)提供不同空間分辨率和/或靈敏度下的感測(cè)。
[0158]返回參考圖3和4，將回想起的是，當(dāng)使用包括在時(shí)間上不同的第一和第二脈沖的脈沖對(duì)來(lái)詢問(wèn)光纖時(shí)，在任何時(shí)刻在檢測(cè)器處接收到的反向散射信號(hào)是從由第一脈沖照亮的光纖的第一區(qū)段401和從由第二脈沖照亮的光纖的第二區(qū)段402所接收到的。光纖的這些區(qū)段中的每一個(gè)在寬度上等于相關(guān)脈寬的一半，并且被稱為計(jì)量長(zhǎng)度的區(qū)段(的前沿)的間隔等于詢問(wèn)脈沖的時(shí)間間隔的一半。
[0159]如先前所述，影響光纖的第一和第二區(qū)段之間的光纖的光纖上的任何應(yīng)變因此將導(dǎo)致相位上的可檢測(cè)變化。還將認(rèn)識(shí)到的是，在光纖的第一或第二區(qū)段401和402中的任一個(gè)內(nèi)發(fā)生的路徑長(zhǎng)度上的變化將導(dǎo)致來(lái)自散射部位中的至少一些的反向散射信號(hào)的相位的變化。因此，在第一和第二區(qū)段401和402的區(qū)域內(nèi)發(fā)生的任何聲學(xué)引起的相位變化可以是可檢測(cè)的(具有變化的靈敏程度)。因此，分布式聲學(xué)傳感器的最大可實(shí)現(xiàn)空間分辨率取決于脈沖的間隔以及取決于所使用的脈沖的寬度。
[0160]然而，脈沖結(jié)構(gòu)的配置還影響系統(tǒng)性能的其他方面。例如，脈沖的相對(duì)寬度能夠影響傳感器的信噪比，并且還影響能夠被可靠地監(jiān)視的感測(cè)光纖的有效長(zhǎng)度。
[0161]對(duì)于基于Rayleigh反向散射的分布式聲學(xué)傳感器而言,期望的是避免光纖內(nèi)的非線性光學(xué)效應(yīng)。這通常意味著對(duì)于特定長(zhǎng)度的光纖而言，存在最大功率閾值，或者換言之，存在對(duì)脈沖的輻射強(qiáng)度的限制。在任何時(shí)間接收到的反向散射的量與脈沖的強(qiáng)度有關(guān)，并且還與脈沖的寬度有關(guān)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，脈沖內(nèi)的光子越多，反向散射的量越大，并且如果強(qiáng)度被設(shè)定上限(capped)，則增加光子數(shù)目的唯一方式是增加脈沖長(zhǎng)度。因此，使用較寬的脈沖，即較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的脈沖，能夠改善用于光纖的任何給定區(qū)段的信噪比。
[0162]然而，使用較寬的脈沖可能導(dǎo)致光纖的相關(guān)區(qū)段的相位中心被不那么良好地定義。
[0163]例如，圖15圖示出具有不同寬度的脈沖的不同脈沖配置的三個(gè)示例。圖15示出了將對(duì)到達(dá)檢測(cè)器處的即時(shí)信號(hào)有貢獻(xiàn)的光纖內(nèi)的散射部位。在每種情況下，第一脈沖的開始和第二脈沖的結(jié)束之間的時(shí)間差是相同的。因此，在光纖內(nèi)，將可以對(duì)在任何時(shí)刻的散射有貢獻(xiàn)的光纖區(qū)段的外邊緣分開相同距離進(jìn)行定位。隨著反向散射的強(qiáng)度根據(jù)脈沖寬度的標(biāo)度而改變，圖15還圖示出(點(diǎn)線)沿著光纖的空間長(zhǎng)度方面的理想化最大強(qiáng)度變化。
[0164]圖15a示出了具有彼此直接相隨的脈沖的示例。因此，可以從其發(fā)生散射的光纖區(qū)段1501和1502也是相鄰的。圖15b圖示出其中脈沖在時(shí)間上分離且與脈沖之間的間隙相比該脈沖相對(duì)較寬的示例(這導(dǎo)致在任何時(shí)刻對(duì)散射信號(hào)有貢獻(xiàn)的光纖區(qū)段1502、1504的相似配置)。圖15c示出了其中脈沖在時(shí)間上分離且與脈沖之間的間隙相比該脈沖的寬度相對(duì)較窄并因此光纖區(qū)段1505和1506 (可以從其同時(shí)地接收分別來(lái)自第一和第二脈沖的散射)與其之間的間隙相比相似地相對(duì)較窄的示例。
[0165]圖15a中所示的示例將提供這些脈沖配置中的任何一個(gè)的最佳信噪比。然而，相對(duì)于圖15所圖示的配置將具有可變相位中心。
[0166]將認(rèn)識(shí)到的是散射可以在被第一脈沖照亮?xí)r從區(qū)段1501內(nèi)的任何散射部位發(fā)生，并且同樣地，散射可以從區(qū)段1502內(nèi)的任何散射部位發(fā)生。由于散射部位的分布在光纖內(nèi)是實(shí)際上隨機(jī)的，所以完全可能的是，在光纖的一個(gè)區(qū)段中散射部位的分布并不是均勻地遍及該區(qū)段。散射部位可以集中于某些區(qū)域中?？紤]大約在光纖的區(qū)段1501的中部發(fā)生的路徑長(zhǎng)度變化。在此擾動(dòng)之前發(fā)生的來(lái)自區(qū)段1501內(nèi)的任何散射明顯將不經(jīng)歷路徑長(zhǎng)度變化，并且因此將不會(huì)導(dǎo)致干涉信號(hào)中的可檢測(cè)相位變化。在路徑長(zhǎng)度變化之后發(fā)生的來(lái)自該區(qū)段1501的任何散射明顯具有可以導(dǎo)致干涉信號(hào)中的可檢測(cè)相位變化的相對(duì)相位差。如果散射部位遍及區(qū)段1501均勻地分布，則來(lái)自區(qū)段1501的散射的約一半將具有相關(guān)相位變化。然而，如果散射部位的分布是這樣的，使得大部分散射在擾動(dòng)的位置之前發(fā)生，則來(lái)自區(qū)段1501的大多數(shù)散射可能不會(huì)展示出相關(guān)相位變化，并且對(duì)此類擾動(dòng)的靈敏度因此是相對(duì)低的。因此，參考圖15所圖示的類型的脈沖配置將趨向于具有基于散射部位的分布而極大改變的靈敏度。
[0167]在圖15b中所示的示例中所使用的脈沖配置與圖15a的配置相比具有減小的SNR，但是具有更好定義的相位中心。在圖15c中所示的示例中所使用的脈沖配置具有進(jìn)一步減小的SNR，但是具有甚至更好定義的相位中心。
[0168]另外，圖15c中且在較小的程度上在圖15b中所圖示的脈沖配置示例提供對(duì)于獲取多個(gè)分集樣本的機(jī)會(huì)，這能夠減少衰落的問(wèn)題。
[0169]返回參考圖4，將回想起在任何時(shí)刻在檢測(cè)器處接收到的信號(hào)是來(lái)自光纖區(qū)段401和來(lái)自光纖區(qū)段402的所有散射光的干涉的結(jié)果。如先前所述，人們實(shí)際上能夠考慮所有來(lái)自區(qū)段401的散射，其進(jìn)行干涉以提供處于頻率Fl的復(fù)合信號(hào)，以及所有來(lái)自區(qū)段402的散射，其進(jìn)行干涉以提供處于頻率F2的復(fù)合信號(hào)。將認(rèn)識(shí)到的是，由于散射部位被實(shí)際上隨機(jī)地分布，所以存在的有限可能性在于，在光纖中的任何位置處來(lái)自區(qū)段401或區(qū)段402的散射相消地進(jìn)行干涉，使得不產(chǎn)生或僅產(chǎn)生非常低強(qiáng)度的復(fù)合信號(hào)。在這種情況下，將不存在與來(lái)自其他區(qū)段的復(fù)合信號(hào)的可感知的干涉，并且將不可能確定光纖中的該位置處的任何相位變化——信號(hào)已衰落。
[0170]本發(fā)明的實(shí)施例通過(guò)使用一種包括在時(shí)間上分離的脈沖的脈沖配置而克服了衰落的問(wèn)題，其中，脈沖之間的間隙等于或大于(至少第二脈沖的)脈沖寬度，即通過(guò)使用參考圖15b和15c所說(shuō)明的類型的脈沖對(duì)。
[0171]考慮由此類脈沖對(duì)所生成的反向散射信號(hào)如何隨著脈沖傳播經(jīng)過(guò)光纖而改變。圖16不出在第一米樣時(shí)間T1,在檢測(cè)器處接收到的信號(hào)是由于來(lái)自由第一脈沖照亮的光纖的第一區(qū)段1601和由第二脈沖照亮的第二區(qū)段1602的散射而引起的。在第二采樣時(shí)間T2,檢測(cè)器處的信號(hào)將是由于由第一脈沖照亮的光纖的第三區(qū)段1603和由第二脈沖照亮的光纖的第四區(qū)段1604而引起的。如果T1和T2之間的采樣時(shí)間等于或大于單獨(dú)脈沖的持續(xù)時(shí)間的一半，則由第一脈沖在不同的采樣時(shí)間照亮的光纖區(qū)段1602和1603將是不同的(即將不存在重疊)。同樣地，由第二脈沖照亮的光纖區(qū)段1602和1064也將是完全不同的。由于來(lái)自光纖的這些不同區(qū)段的散射是非相關(guān)的，所以由脈沖形成的干涉儀的有效偏置位置也是非相關(guān)的。反向散射信號(hào)強(qiáng)度(來(lái)自穿過(guò)光纖的單個(gè)脈沖對(duì))因此將在脈沖長(zhǎng)度的約一半的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)改變，即約為光纖內(nèi)的散射部位的區(qū)段的寬度。圖17圖示出反向散射強(qiáng)度圖案和強(qiáng)度因此可以如何在兩個(gè)采樣時(shí)間T1和T2之間改變。因此，能夠?qū)⒃诓煌蓸訒r(shí)間處獲取的樣本視為分集樣本。
[0172]實(shí)際上，在每個(gè)不同的采樣時(shí)間，由散射部位所定義的干涉儀的相位偏置位置改變。圖18示出了反向散射信號(hào)強(qiáng)度針對(duì)相位偏置位置的說(shuō)明性曲線1801——當(dāng)散射部位限定具有零相位偏置的干涉儀時(shí)，即反向散射信號(hào)同相時(shí)，強(qiáng)度處于最大值，并且當(dāng)相位偏置位置為±180°時(shí)，即信號(hào)為異相時(shí)，強(qiáng)度處于最小值。
[0173]圖18a圖不出在第一米樣時(shí)間T1的相位偏置位置1802。光纖的區(qū)段1601和1602處的散射部位的分布將確定相關(guān)相位偏置位置。圖18b圖示出在第二采樣時(shí)間T2的相位偏置位置1804。[0174]忽視熱漂移片刻，對(duì)于脈沖對(duì)的每次連續(xù)發(fā)射而言，在相同采樣時(shí)間(即發(fā)射之后的T1或T2)獲取的樣本(其將將被稱為通道)將引起相同的相位偏置位置。因此，在不存在任何其他調(diào)制的情況下，在來(lái)自連續(xù)發(fā)射的每個(gè)通道中將檢測(cè)到相同的一般強(qiáng)度的反向散射信號(hào)。然而，任何聲學(xué)引起的相位調(diào)制1803將改變輸出信號(hào)的相位偏置位置，并且將導(dǎo)致能夠檢測(cè)到的通道中的輸出強(qiáng)度上的變化。圖18a中所示的示例示出了導(dǎo)致將可容易檢測(cè)的強(qiáng)度調(diào)制的相位偏置位置。然而，對(duì)于圖18b中所示的示例而言，該通道對(duì)應(yīng)于導(dǎo)致低強(qiáng)度信號(hào)的相位偏置位置。圖18還圖示出傳感器的噪聲基底。技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到將存在由各種參數(shù)所定義的某個(gè)噪聲基底，其設(shè)定能夠被可靠地檢測(cè)的信號(hào)下限。能夠看出的是，從在采樣時(shí)間T2獲取的通道樣本所生成的輸出信號(hào)將主要被本地噪聲所掩蔽。
[0175]隨著時(shí)間推移，熱變化也將變更不同通道的相位偏置位置。此熱變化在被監(jiān)視的聲學(xué)擾動(dòng)的時(shí)間標(biāo)度上是緩慢的，并且因此能夠清楚地檢測(cè)到聲學(xué)擾動(dòng)。然而，熱變化可以導(dǎo)致單獨(dú)通道的SNR隨時(shí)間推移的變化。
[0176]返回參考圖16，因此能夠看到的是，通過(guò)使用在脈沖之間具有約為脈沖持續(xù)時(shí)間或更長(zhǎng)的間隙的脈沖對(duì)配置，能夠設(shè)置樣本之間的時(shí)間，使得每個(gè)連續(xù)樣本與基本上獨(dú)立的一組散射部位有關(guān)，但是由散射部位所限定的光纖區(qū)段在每種情況下都在很大程度上重疊。此重疊意味著能夠從任一樣本檢測(cè)引起光纖的相關(guān)區(qū)段中的路徑長(zhǎng)度變化的任何聲信號(hào)。因此，如果在每個(gè)脈沖對(duì)的發(fā)射之后在一個(gè)采樣時(shí)間T1 (即對(duì)應(yīng)于第一通道)獲取的分集樣本恰巧由于得到的干涉儀的相位偏置位置而具有低SNR，則來(lái)自另一采樣時(shí)間T2(第二通道)的分集樣本可以具有更好的SNR且可以被用來(lái)確定影響該光纖區(qū)段的聲信號(hào)。
[0177]如圖16中所圖示，與脈沖之間的間隙相比具有相對(duì)窄的脈沖的脈沖配置可以允許獲取多個(gè)不同的分集樣本，每個(gè)對(duì)應(yīng)于基本上獨(dú)立的散射部位，并且所有這些限定了部分重疊的光纖部分。因此，可以獲取多個(gè)分集樣本，其對(duì)應(yīng)于光纖的多個(gè)重疊空間感測(cè)部分。
[0178]檢測(cè)器的采樣率因此可以被設(shè)置在這樣的速率下，使得在脈沖在光纖中傳播了等于計(jì)量長(zhǎng)度的距離所花費(fèi)的時(shí)間中獲取多個(gè)樣本。這與從等于計(jì)量長(zhǎng)度的光纖區(qū)段獲取單個(gè)樣本相比能夠減少衰落的問(wèn)題，因?yàn)槊黠@地，所有樣本位置都已經(jīng)衰落的可能性低于單獨(dú)樣本位置已經(jīng)衰落的可能性。因此，通過(guò)在計(jì)量長(zhǎng)度內(nèi)取得多個(gè)分集樣本，改善了傳感器的 SNR。
[0179]然而，將注意的是，此類時(shí)間過(guò)采樣并未增加分布式聲學(xué)傳感器的可實(shí)現(xiàn)最大空間分辨率，其如上所述由脈沖對(duì)寬度和間隔所定義。
[0180]可以在各種分析面元中分析多個(gè)連續(xù)分集樣本，每個(gè)分析面元對(duì)應(yīng)于光纖的某個(gè)定義的感測(cè)部分以提供用于每個(gè)分析面元的單個(gè)測(cè)量結(jié)果。換言之，考慮脈沖對(duì)配置是這樣的，使得計(jì)量長(zhǎng)度為例如10m。這對(duì)應(yīng)于約IOOns的脈沖間隔。分析面元因此可以對(duì)應(yīng)于光纖的鄰接IOm區(qū)段。采樣率可以是這樣的，使得例如在對(duì)于到達(dá)檢測(cè)器的反向散射輻射對(duì)應(yīng)于光纖的不同IOm區(qū)段所花費(fèi)的時(shí)間中，即用于脈沖在光纖內(nèi)移動(dòng)IOm所花費(fèi)的時(shí)間的兩倍(以允許有時(shí)間使脈沖向光纖中移動(dòng)IOm且光返回該額外的IOm距離)，獲取例如10個(gè)左右的分集樣本。換言之，將光纖的折射率取為約1.5，可以以約IOOMhz的速率獲取樣本。
[0181]在本示例中，每個(gè)分析面元因此可以包括十個(gè)通道，每個(gè)連續(xù)通道接收在脈沖對(duì)的發(fā)射之后獲取的連續(xù)分集樣本。每個(gè)通道因此對(duì)應(yīng)于光纖的IOm區(qū)段，其中相關(guān)IOm區(qū)段在每個(gè)通道之間移位lm，并且每個(gè)通道將以脈沖對(duì)的發(fā)射速率被更新。因此可以將相關(guān)分析面元所屬的光纖區(qū)段定義為光纖的該10m，其處于與分析面元的所有通道相對(duì)應(yīng)的光纖長(zhǎng)度的中部。換言之，如果分析面元的第一通道定義了到光纖中的從位置X至x+lOm的光纖的IOm區(qū)段，并且第二通道定義了從x+1 m至x+11 m的區(qū)段，以此類推，直至第十通道定義了從x+9m至x+19m的位置，則可以將分析面元定義為與從x+4.5m至x+14.5m的光纖區(qū)段有關(guān)。將顯而易見的是以這樣的方式將通道分組成面元確實(shí)意味著影響與一個(gè)分析面元相對(duì)應(yīng)的光纖區(qū)段的任何調(diào)制也將在相鄰的分析面元中具有影響。這確實(shí)對(duì)空間分辨率具有影響，但是分集處理方案的優(yōu)點(diǎn)補(bǔ)償了空間分辨率上的此類下降。
[0182]可以以許多不同的方式來(lái)執(zhí)行用以產(chǎn)生用于分析面元的單個(gè)測(cè)量值的分析。
[0183]例如，處理可以涉及對(duì)來(lái)自形成分析面元的所有通道的樣本求平均并使用平均樣本值來(lái)確定用于分析面元的相位值。
[0184]然而，在優(yōu)選實(shí)施例中，可以使用質(zhì)量度量來(lái)評(píng)定各個(gè)通道中的分集樣本，并且在將來(lái)自各種通道的樣本進(jìn)行組合時(shí)使用評(píng)定的結(jié)果。
[0185]一個(gè)可能的基本度量是每個(gè)通道中的分集樣本的平均強(qiáng)度。可以隨時(shí)間推移而確定此平均強(qiáng)度并將其用作用于該通道的SNR的指示。返回參考圖18，將清楚的是平均強(qiáng)度取決于適用于該通道的相關(guān)相位偏置位置。然后可以使用來(lái)自具有最高SNR的通道的樣本作為用于整個(gè)分析面元的樣本，其中其他樣本被丟棄。替換地，可以將具有在某個(gè)閾值以下的SNR (即具有在某個(gè)閾值以下的平均強(qiáng)度)的樣本丟棄，并且對(duì)其余樣本一起求平均。
[0186]然而在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)每個(gè)通道中的分集樣本進(jìn)行處理以確定用于該通道的相位值，使用質(zhì)量度量來(lái)評(píng)定用于每個(gè)通道的得到的相位值，并且然后確定用于分析面元的組合值。
[0187]在本實(shí)施例中，因此可以單獨(dú)地處理每個(gè)通道以確定用于該通道的相位值?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)解調(diào)技術(shù)為每個(gè)通道確定相位值。例如，當(dāng)使用根據(jù)上文相對(duì)于圖5所述的實(shí)施例的脈沖對(duì)時(shí)，可以對(duì)每個(gè)通道應(yīng)用解調(diào)方法，如相對(duì)于圖6所述的。當(dāng)使用根據(jù)參考圖9或12所述的實(shí)施例的脈沖對(duì)時(shí)，所檢測(cè)信號(hào)可以例如固有地包括I和Q分量，其能夠被低通濾波并通過(guò)直角坐標(biāo)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換而被轉(zhuǎn)換成相位值，或者能夠以其他方式被轉(zhuǎn)換成I和Q分量。
[0188]此類處理的結(jié)果是用于每個(gè)通道的相位值，以及可選地是振幅值。
[0189]用于每個(gè)通道的AC與DC比值可以被用作用于相關(guān)通道的信噪比的指示。因此，可以將用于通道的此比值考慮在內(nèi)來(lái)將用于通道的相位值進(jìn)行組合。相對(duì)高的比值可以指示相對(duì)高的SNR，而低值可以表示低SNR。因此可以丟棄來(lái)自具有在閾值以下的AC與DC比值的通道的導(dǎo)出相位值。另外或替換地，可以在形成組合值時(shí)對(duì)相位值給定加權(quán)，其中該加權(quán)至少部分地基于AC與DC比值。
[0190]在一個(gè)實(shí)施例中，可以基于來(lái)自每個(gè)通道的信號(hào)的自相似程度而根據(jù)質(zhì)量度量來(lái)分析針對(duì)通道導(dǎo)出的相位值。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，能夠進(jìn)行的假設(shè)是，在從光纖的重疊感測(cè)部分獲取分集樣本的情況下，在該一般位置處作用于光纖上的任何聲學(xué)擾動(dòng)將導(dǎo)致每個(gè)通道中的基本上相同的相位調(diào)制。因此，可以將用于所有通道的所有已處理相位值進(jìn)行相互比較以確定來(lái)自每個(gè)通道的結(jié)果是如何相互相似的?？梢詫⒄故境龈呦嗨瞥潭鹊耐ǖ兰僭O(shè)為正在測(cè)量相同的刺激，而顯著不同于其他通道的通道可能實(shí)際上被噪聲主導(dǎo)。
[0191]因此可以向針對(duì)每個(gè)通道確定的相位值施加質(zhì)量度量，以便確定與其他通道的自相似程度。然后可以基于此質(zhì)量度量將相位值與施加于每個(gè)相位值的適當(dāng)加權(quán)進(jìn)行組合。換言之，在組合中可以對(duì)相互非常相似的相位值給定相對(duì)高的加權(quán)，而在組合中對(duì)相互較不相似的相位值給定相對(duì)低的加權(quán)。以這種方式，組合對(duì)良好質(zhì)量樣本給定較多的權(quán)重，并對(duì)不良質(zhì)量樣本給定較少的權(quán)重，并且因此與常規(guī)組合技術(shù)相比改善了信噪比。
[0192]可以通過(guò)將針對(duì)一個(gè)通道確定的相位值與針對(duì)其他通道確定的相位值相比較來(lái)確定一個(gè)樣本與其他樣本的自相似程度。優(yōu)選地，使用相對(duì)簡(jiǎn)單且直接的相關(guān)來(lái)使處理開銷最小化。
[0193]在一個(gè)實(shí)施例中，使用第一度量Ml來(lái)確定正被比較的通道中的信號(hào)變化的相似性。從通道A和B施加于信號(hào)A和B的度量Ml可以具有以下形式:
Ml (A, B) = (A - <Α.(B -〈B?公式(1)。
[0194]此度量可以對(duì)具有大DC分量的信號(hào)給定大的結(jié)果。
[0195]因此，有利地，可以使用第二度量M2來(lái)確定兩個(gè)信號(hào)之間的差的量值的測(cè)量結(jié)果。度量M2可以具有以下形式:
M2 (A, B) = ((A - <Α? - (B -〈B〉))2公式(2)。
[0196]可以針對(duì)分析面元內(nèi)的通道的每個(gè)組合計(jì)算這兩個(gè)度量，并將其用來(lái)確定相互最相似的通道。可以由下式來(lái)計(jì)算單個(gè)總度量Mq:
Mq (Α, B) = Ml (Α, B) - M2 (Α, B)公式(3)。
[0197]然后可以使用所計(jì)算的質(zhì)量度量Mq的值來(lái)確定最為自相似的那些通道。
[0198]圖19示出了可以如何針對(duì)分析面元中的各種通道確定相關(guān)相位值的一個(gè)實(shí)施例。
[0199]可以接收用于分析面元中的η個(gè)通道中的每一個(gè)的I和Q分量，并對(duì)其進(jìn)行低通濾波1901以導(dǎo)出I和Q值。然后可以通過(guò)直角坐標(biāo)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換1902來(lái)將這些I和Q值轉(zhuǎn)換成相位值Φ和振幅值Α?？梢栽诤罄m(xù)處理1903中使用來(lái)自每個(gè)通道的相位值Φ和振幅值A(chǔ)來(lái)確定自相似性。用于每個(gè)通道的相位值Φ被傳遞至濾波器1904以執(zhí)行時(shí)間平均并產(chǎn)生平均相位值<Φ>。然后可以處理用于每個(gè)通道的相位值Φ和平均相位值<Φ>以確定上文所討論的度量。一旦已經(jīng)識(shí)別了自相似的通道，就可以將來(lái)自相關(guān)通道的相位值進(jìn)行組合。然而，由于度量處理花費(fèi)了一些時(shí)間，所以還可以將用于每個(gè)通道的相位值Φ作為延遲傳遞至緩沖器1905。已延遲的相位值Od能夠被用作要組合的值。在一個(gè)實(shí)施例中，組合涉及將當(dāng)前和平均相位值之間的差進(jìn)行組合，并且因此還可以對(duì)已延遲的相位值中(1進(jìn)行濾波1904以產(chǎn)生也可以在組合中被使用的平均值。請(qǐng)注意，同一濾波器塊1904被示為作用于相位值和已延遲的相位值，以提供相關(guān)平均值。然而，將認(rèn)識(shí)到的是，在實(shí)踐中可以應(yīng)用單獨(dú)的濾波器。
[0200]在一個(gè)實(shí)施例中，后續(xù)處理確定用于通道的每個(gè)組合的度量，并選擇最自相似的預(yù)定數(shù)目的通道以用于組合。換言之，該方法可以包括從在分析面元內(nèi)可用的η個(gè)通道中選擇m個(gè)最自相似的通道的步驟。例如，如果在分析面元內(nèi)存在10個(gè)通道，即η= 10，則可以選擇來(lái)自通道的五個(gè)最自相似結(jié)果(m = 5)以進(jìn)行組合。
[0201]被選擇來(lái)形成組合相位結(jié)果的通道的數(shù)目可以是對(duì)于每個(gè)分析面元而言都相同的，并且可以是隨時(shí)間推移而恒定的。這可以易于稍后處理中的一些，因?yàn)槊總€(gè)組合相位值由相同數(shù)目的單獨(dú)樣本形成。其還將確保用于傳感器的恒定的噪聲基底。然而，在一個(gè)實(shí)施例中，在組合中所使用的通道的數(shù)目是由詢問(wèn)器單元的用戶可配置的。
[0202]圖20圖示出用以選擇M個(gè)最自相似通道的基于度量的處理的一個(gè)實(shí)施方式。針對(duì)每個(gè)通道接收相位值Φ和平均相位值<Φ>。針對(duì)每個(gè)通道，確定度量M0以用于與每個(gè)其他通道的組合，以形成度量分?jǐn)?shù)的矩陣2001。由于只有度量的量值是重要的，所以只需計(jì)算用于通道的每個(gè)組合的度量一次，即度量M0(Α，B)的量值將與用于Mq(B，Α)的量值相同。
[0203]這針對(duì)每個(gè)通道實(shí)際上導(dǎo)致了用于其他通道中的每個(gè)的一系列分?jǐn)?shù)。在此階段，可以識(shí)別用于通道的預(yù)定數(shù)目X的最高度量分?jǐn)?shù)?？梢岳缭谥狈綀D型布置中對(duì)用于那些最高度量分?jǐn)?shù)的對(duì)應(yīng)通道進(jìn)行識(shí)別和計(jì)數(shù)。因此，對(duì)于比方說(shuō)通道I而言，如果最高X個(gè)度量包括來(lái)自與通道2、5和6的組合的度量，則用于通道2、5和6的直方圖計(jì)數(shù)將被增加一。此過(guò)程能夠針對(duì)所有通道而重復(fù)。直方圖然后將指示哪些通道與其他通道最相似，并且可以選擇具有最高直方圖計(jì)數(shù)的M個(gè)通道以用于組合。
[0204]針對(duì)每個(gè)所選通道，在組合中使用已延遲相位值Φ d，使得被組合的數(shù)據(jù)是從其計(jì)算度量的相同數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于所選通道中的每一個(gè)而言，該組合是總和:
【權(quán)利要求】
1.一種分布式光纖傳感器設(shè)備，包括: 光源，被配置成生成用于發(fā)射到光纖中的至少第一和第二光學(xué)脈沖對(duì)， 所述第一和第二脈沖對(duì)具有與彼此相同的頻率配置，以及 被如此生成，使得所述第一脈沖對(duì)的脈沖的相位關(guān)系與所述第二脈沖對(duì)的脈沖的相位關(guān)系具有預(yù)定相對(duì)相位差。
2.如權(quán)利要求1中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器設(shè)備，其中，所述預(yù)定相對(duì)相位差具有90°的量值。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器設(shè)備，還包括:至少一個(gè)檢測(cè)器，被配置成檢測(cè)從所述第一和第二脈沖對(duì)反向散射的任何輻射；以及處理電路，被耦合到所述至少一個(gè)檢測(cè)器，其中，所述處理電路被配置成基于來(lái)自所述第一和第二脈沖對(duì)的所檢測(cè)反向散射輻射來(lái)確定用于光纖的至少一個(gè)給定區(qū)段的相位值。
4.如權(quán)利要求3中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述光源、檢測(cè)器和處理裝置被如此配置，使得光學(xué)檢測(cè)路徑的帶寬足以表示反向散射輻射的基本上所有頻率含量。
5.如權(quán)利要求3或權(quán)利要求4中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述光學(xué)檢測(cè)路徑帶寬足以表示脈沖對(duì)的脈沖的基本上所有脈沖頻率。
6.如權(quán)利要求3至5中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述處理器被配置成將來(lái)自所述第一和第二脈沖對(duì)的獨(dú)立的即時(shí)檢測(cè)器樣本進(jìn)行解調(diào)以確定所述相位值。
7.如權(quán)利要求3—6中的`任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器設(shè)備,其中,所述處理裝置通過(guò)使用所述預(yù)定相對(duì)相位差來(lái)確定所述相位值。
8.如任一前述權(quán)利要求中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器設(shè)備 其中: 所述第一和第二脈沖對(duì)的脈沖在其之間具有頻率差；以及 所述第一和第二脈沖對(duì)被如此生成，以便在不同的時(shí)間被發(fā)射到光纖中； 使得所述第一和第二脈沖對(duì)的發(fā)射之間的時(shí)間與用于等于一對(duì)中的脈沖之間的頻率差的頻率下的信號(hào)中的所述預(yù)定相對(duì)相位變化的時(shí)間相對(duì)應(yīng)。
9.如權(quán)利要求8中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器設(shè)備，其中，所述光源被配置成以一定的發(fā)射速率向所述光纖中發(fā)射一系列第一和第二脈沖對(duì)，使得所述系列中的任何脈沖對(duì)的發(fā)射之間的時(shí)間與用于等于所述頻率差的頻率下的信號(hào)中的所述預(yù)定相對(duì)相位變化的時(shí)間相對(duì)應(yīng)。
10.如權(quán)利要求9中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述頻率差低于所述發(fā)射速率。
11.如權(quán)利要求10中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述頻率差小于所述發(fā)射速率的一半。
12.如權(quán)利要求9一11中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述頻率差基本上等于所述發(fā)射速率的四分之一，使得所述預(yù)定相位差基本上為90°。
13.如權(quán)利要求9至12中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述光源被配置成以一定的發(fā)射速率來(lái)生成所述脈沖對(duì)，使得在任何時(shí)間在光纖的感測(cè)部分中僅存在來(lái)自所述系列的一個(gè)脈沖。
14.如權(quán)利要求8至13中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述頻率差為IOkHz或以下、或者5kHz或以下、或者I kHz或以下。
15.如權(quán)利要求8至14中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述頻率差處于所述傳感器的基帶內(nèi)。
16.如權(quán)利要求8至14中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述頻率差處于所述傳感器的尼奎斯特頻帶內(nèi)。
17.如權(quán)利要求8至16中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述光源包括至少一個(gè)激光器和用于對(duì)來(lái)自所述激光器的光進(jìn)行調(diào)制以產(chǎn)生所述第一和第二脈沖對(duì)的調(diào)制器。
18.如權(quán)利要求17中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述調(diào)制器包括至少一個(gè)聲光調(diào)制器。
19.如權(quán)利要求8至18中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，當(dāng)直接地或間接地從屬于權(quán)利要求3時(shí)，其中，所述處理電路被配置成: 形成包括在每個(gè)脈沖對(duì)的發(fā)射之后基本上同時(shí)地獲取的反向散射輻射的樣本的信號(hào)；以及 將處于每個(gè)脈沖對(duì)中的脈沖的頻率差的所述信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，以便確定用于光纖的至少一個(gè)區(qū)段的相位值。
20.如權(quán)利要求1至7中 的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中:所述第一脈沖對(duì)中和所述第二脈沖對(duì)中的脈沖全部具有與彼此相同的頻率；以及 所述第一脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差與所述第二脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差相差所述預(yù)定相對(duì)相位差。
21.如權(quán)利要求20中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，當(dāng)從屬于權(quán)利要求3時(shí)，其中，所述預(yù)定相位差基本上為90°，并且其中，所述處理電路被配置成使用在所述第一和第二脈沖的發(fā)射之后同時(shí)接收到的所檢測(cè)反向散射信號(hào)分別地作為同相和正交相位分量，以便確定用于光纖的至少一個(gè)區(qū)段的相位值。
22.如權(quán)利要求21中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述處理電路被配置成對(duì)在所述第一和第二脈沖對(duì)的發(fā)射之后同時(shí)接收到的所檢測(cè)反向散射信號(hào)進(jìn)行低通濾波，以提供同相和正交值并通過(guò)直角坐標(biāo)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將所述同相和正交值轉(zhuǎn)換成相位值。
23.如權(quán)利要求20至22中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述光源被配置成連續(xù)地生成將以一定的發(fā)射速率被發(fā)射到所述光纖中的脈沖對(duì)，其中，每個(gè)連續(xù)脈沖對(duì)在該對(duì)的脈沖之間具有相對(duì)相位差，其與前一對(duì)的相位差相差了所述預(yù)定相位差。
24.如權(quán)利要求20至23中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述光源包括至少一個(gè)激光器和被布置成對(duì)所述激光器的輸出進(jìn)行調(diào)制以便產(chǎn)生所述第一和第二脈沖對(duì)的至少一個(gè)電光調(diào)制器。
25.如權(quán)利要求24中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述調(diào)制器包括至少一個(gè)電光調(diào)制器。
26.如任一前述權(quán)利要求中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述光源被配置成生成包括所述第一脈沖對(duì)和所述第二脈沖對(duì)的第一系列的脈沖對(duì)和第二系列的脈沖對(duì)，其中，所述第一和第二系列的脈沖對(duì)具有相互不同的偏振狀態(tài)。
27.如權(quán)利要求20中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述不同的偏振狀態(tài)是這樣的，使得在所述光纖的近端處從所述第一系列的脈沖對(duì)接收到的反向散射輻射具有與在所述光纖的近端處從所述第二系列的脈沖對(duì)接收到的反向散射輻射正交的偏振狀態(tài)。
28.如權(quán)利要求20或27中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述第一系列的脈沖對(duì)的脈沖具有與所述第二系列的脈沖對(duì)的脈沖正交的偏振狀態(tài)。
29.如權(quán)利要求28中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述第一系列的脈沖對(duì)和所述第二系列的脈沖對(duì)以相互正交的狀態(tài)被偏振。
30.如權(quán)利要求20至29中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述光源被配置成生成將被發(fā)射到所述光纖中的所述第一和第二系列的脈沖對(duì)，使得來(lái)自所述第一系列的脈沖對(duì)和所述第二系列的脈沖對(duì)兩者的一個(gè)脈沖對(duì)同時(shí)地處于所述光纖的感測(cè)部分。
31.如權(quán)利要求20—30中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述光源包括用于生成將被發(fā)射到所述光纖中的所述第一和第二系列的脈沖對(duì)之間的偏振上的差的至少一個(gè)偏振活性元件。
32.如權(quán)利要求20— 31中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，還包括被布置成將第一偏振狀態(tài)的反向散射光引導(dǎo)到第一檢測(cè)器的至少一個(gè)偏振活性元件。
33.如權(quán)利要求32中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述第一偏振狀態(tài)隨時(shí)間推移而改變。
34.如權(quán)利要求32中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述至少一個(gè)偏振活性元件被布置成將第二偏振狀態(tài)的反向散射光引導(dǎo)到第二檢測(cè)器。
35.如權(quán)利要求20—34中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，還包括用于補(bǔ)償所述光纖內(nèi)的任何偏振漂移的至少一個(gè)偏振調(diào)制器。
36.如任一前述權(quán)利要求中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器,其中,所述第一和第二脈沖對(duì)包括第一脈沖，后面是在時(shí)間上分離的第二脈沖。
37.如權(quán)利要求36中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述第一脈沖的結(jié)束和所述第二脈沖的開始之間的時(shí)間等于或大于所述第二脈沖的脈沖持續(xù)時(shí)間。
38.如權(quán)利要求37中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述第一脈沖的結(jié)束和所述第二脈沖的開始之間的時(shí)間等于或大于所述第二脈沖的脈沖持續(xù)時(shí)間的兩倍。
39.如權(quán)利要求36至38中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述第一和第二脈沖的脈沖寬度與所述脈沖之間的間隙相比是相對(duì)窄的。
40.如權(quán)利要求36至39中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述第一和第二脈沖具有基本上相等的持續(xù)時(shí)間。
41.如權(quán)利要求36至40中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，當(dāng)直接地或間接地從屬于權(quán)利要求3時(shí)，其中，所述檢測(cè)器和處理電路被如此配置，以便在等于脈沖對(duì)中的脈沖之間的時(shí)間的一半的持續(xù)時(shí)間內(nèi)從該脈沖對(duì)獲取反向散射信號(hào)的多個(gè)分集樣本。
42.如權(quán)利要求41中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，檢測(cè)器和處理電路被如此配置，以便獲取至少五個(gè)分集樣本。
43.如權(quán)利要求41或42中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，獲取反向散射信號(hào)的分集樣本之間的時(shí)間大約與脈沖持續(xù)時(shí)間的一半相同。
44.如權(quán)利要求41至43中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述處理電路被配置成在分析面元中分析反向散射信號(hào)的多個(gè)連續(xù)分集樣本以確定用于光纖的對(duì)應(yīng)區(qū)段的得到的相位值。
45.如權(quán)利要求44中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述處理電路被如此配置，使得: 每個(gè)分析面元可以包括多個(gè)分集通道，其中，每個(gè)分集通道從與所述光纖中的相同位置相對(duì)應(yīng)的脈沖對(duì)的發(fā)射接收分集樣本；以及 每個(gè)分集通道被處理以確定用于所述分集通道的相位值。
46.如權(quán)利要求45中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，針對(duì)分析面元的分集通道所確定的相位值在被組合之前被分析。
47.如權(quán)利要求46中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述處理電路被配置成向已處理相位值施加質(zhì)量度量并基于所述質(zhì)量度量將所述相位值進(jìn)行組合。
48.如權(quán)利要求47中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述質(zhì)量度量包括所確定的相位值之間的相似程度。
49.如權(quán)利要求47或48中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述組合包括向所述組合中的至少一些相位值施加加權(quán)。
50.如權(quán)利要求47至49中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述組合包括基于所述質(zhì)量度量將一些相位值從所述組合中省略。
51.如任一前述權(quán)利要求`中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述光源被配置成生成具有與所述第一和第二脈沖對(duì)的頻率配置不同的頻率配置的至少一個(gè)附加脈沖序列。
52.如權(quán)利要求51中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述光源被配置成生成包括所述第一和第二脈沖對(duì)的第一系列的脈沖對(duì)和一個(gè)或多個(gè)附加系列的脈沖序列，其中，所述第一系列的脈沖對(duì)以及所述一個(gè)或多個(gè)附加系列的脈沖序列被如此生成以用于發(fā)射，使得所述第一系列的至少一個(gè)脈沖對(duì)和所述一個(gè)或多個(gè)附加系列的脈沖序列同時(shí)地處于感測(cè)光纖中。
53.如權(quán)利要求52中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器 其中，所述附加系列的脈沖序列中的至少一個(gè)包括一系列的頻率差脈沖對(duì)，所述頻率差脈沖對(duì)包括在其之間具有預(yù)定頻率差的兩個(gè)脈沖，以及 其中，一系列的頻率差脈沖對(duì)被如此生成，以便以一定的發(fā)射速率被發(fā)射到所述光纖中，使得該系列的連續(xù)頻率差脈沖對(duì)的發(fā)射之間的時(shí)間與用于等于所述系列的所述預(yù)定頻率差的頻率下的信號(hào)中的預(yù)定相對(duì)相位變化的時(shí)間相對(duì)應(yīng)。
54.如權(quán)利要求53中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，當(dāng)從屬于權(quán)利要求8至19中的任一項(xiàng)時(shí)，其中，所述至少一個(gè)附加系列的脈沖之間的所述預(yù)定頻率差與所述第一和第二脈沖對(duì)的脈沖之間的頻率差相同。
55.如權(quán)利要求54中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述第一系列和所述至少一個(gè)附加系列的脈沖對(duì)的發(fā)射速率是相同的。
56.如權(quán)利要求53中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，當(dāng)從屬于權(quán)利要求8至19中的任一項(xiàng)時(shí)，其中，所述至少一個(gè)附加系列的脈沖之間的所述預(yù)定頻率差不同于所述第一和第二脈沖對(duì)的脈沖之間的頻率差。
57.如權(quán)利要求56中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述第一系列和所述至少一個(gè)附加系列的脈沖對(duì)的發(fā)射速率是不同的，并被如此布置，使得用于所述第一系列的所述預(yù)定相對(duì)相位變化與用于所述附加系列的所述預(yù)定相對(duì)相位變化相同。
58.如權(quán)利要求51—57中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器,其中，所述附加系列的脈沖序列中的至少一個(gè)包括一系列的相位差脈沖對(duì)，所述相位差脈沖對(duì)包括相同頻率的兩個(gè)脈沖，其中，所述系列的連續(xù)相位差脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差相差了預(yù)定相對(duì)相位差。
59.如權(quán)利要求52—58中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器,其中，所述光源被配置成生成多個(gè)附加系列的脈沖序列。
60.如權(quán)利要求59中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述多個(gè)附加系列中的兩個(gè)或更多個(gè)包括脈沖對(duì)系列，其中，每個(gè)系列的脈沖對(duì)相對(duì)于基礎(chǔ)波長(zhǎng)具有相同的脈沖配置，并且其中，所述基礎(chǔ)波長(zhǎng)對(duì)于每個(gè)系列而言是不同的。
61.如權(quán)利要求59或權(quán)利要求60中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，所述附加系列的脈沖對(duì)的發(fā)射以不規(guī)則間隔相互交錯(cuò)。
62.如權(quán)利要 求52至61中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器，其中，至少一個(gè)附加系列的脈沖序列包括以不同的感測(cè)特性提供的一系列脈沖對(duì)。
63.—種分布式光纖感測(cè)的方法,包括向光纖中發(fā)射至少第一和第二脈沖對(duì),所述第一和第二脈沖對(duì)具有與彼此相同的頻率配置，并且被如此生成，使得所述第一脈沖對(duì)的脈沖的相位關(guān)系與所述第二脈沖對(duì)的脈沖的相位關(guān)系具有預(yù)定相對(duì)相位差。
64.如權(quán)利要求63中所要求保護(hù)的方法，其中，所述第一和第二脈沖對(duì)的脈沖在其之間具有頻率差；并且所述方法包括: 以一定的發(fā)射速率生成一系列的第一和第二脈沖對(duì)； 使得連續(xù)脈沖對(duì)的發(fā)射之間的時(shí)間與用于等于一對(duì)中的脈沖之間的頻率差的頻率下的信號(hào)中的所述預(yù)定相對(duì)相位變化的時(shí)間相對(duì)應(yīng)。
65.如權(quán)利要求64中所要求保護(hù)的方法，其中，所述頻率差基本上等于所述發(fā)射速率的四分之一，使得所述預(yù)定相位差基本上為90°。
66.如權(quán)利要求64或權(quán)利要求65中所要求保護(hù)的方法，包括: 形成包括在每個(gè)脈沖對(duì)的發(fā)射之后基本上同時(shí)獲取的反向散射輻射的樣本的信號(hào)；以及 將處于每個(gè)脈沖對(duì)中的脈沖的頻率差的所述信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，以便確定用于光纖的至少一個(gè)區(qū)段的相位值。
67.如權(quán)利要求64中所要求保護(hù)的方法，其中: 所述第一脈沖對(duì)中和所述第二脈沖對(duì)中的脈沖全部具有與彼此相同的頻率；以及 所述第一脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差與所述第二脈沖對(duì)中的脈沖之間的相位差相差所述預(yù)定相對(duì)相位差。
68.如權(quán)利要求67中所要求保護(hù)的方法，其中，所述預(yù)定相位差基本上為90°，并且其中，所述方法包括對(duì)在所述第一和第二脈沖對(duì)的發(fā)射之后同時(shí)接收到的反向散射信號(hào)進(jìn)行采樣，并使用所述樣本分別地作為同相和正交相位分量，以便確定用于光纖的至少一個(gè)區(qū)段的相位值。
69.如權(quán)利要求58至68中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的方法，其中，所述方法包括生成處于第一偏振狀態(tài)的第一脈沖對(duì)和處于第二不同偏振狀態(tài)的第二脈沖對(duì)，并且發(fā)射所述第一脈沖對(duì)和第二脈沖對(duì)，使得兩個(gè)脈沖對(duì)同時(shí)處于所述光纖中。
70.如權(quán)利要求69中所要求保護(hù)的方法，其中，所述第一和第二偏振狀態(tài)是這樣的，使得在所述檢測(cè)器處接收到的來(lái)自所述第一脈沖對(duì)的反向散射輻射具有與在所述檢測(cè)器處接收到的來(lái)自所述第二脈沖對(duì)的反向散射輻射正交的偏振。
71.如權(quán)利要求69或權(quán)利要求70中所要求保護(hù)的方法，其中，所述第一脈沖對(duì)和所述第二脈沖對(duì)被如此生成，以便被同時(shí)地發(fā)射到所述光纖中。
72.如權(quán)利要求69至71中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的方法，包括使用偏振敏感元件來(lái)在所述第一脈沖對(duì)和第二脈沖對(duì)的反向散射輻射之間進(jìn)行辨別。
73.如權(quán)利要求63—72中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的方法，其中，所述第一和第二脈沖對(duì)包括第一脈沖，后面是在時(shí)間上分離的第二脈沖。
74.如權(quán)利要求73中所要求保護(hù)的方法，包括在等于脈沖對(duì)中的脈沖之間的時(shí)間的一半的持續(xù)時(shí)間內(nèi)從該脈沖對(duì)獲取反向散射信號(hào)的多個(gè)分集樣本。
75.如權(quán)利要求74中所要求保護(hù)的方法，包括在分析面元中分析反向散射信號(hào)的多個(gè)連續(xù)分集樣本以確定用于光纖的對(duì)應(yīng)區(qū)段的得到的相位值。
76.如權(quán)利要求75中所要求保護(hù)的方法，其中，包括: 處理從分集通道中的脈沖對(duì)的連續(xù)發(fā)射所獲取的與所述光纖中的相同位置相對(duì)應(yīng)的分集樣本；以及 處理每個(gè)分集通道以確定用于該分集通道的相位值。
77.如權(quán)利要求76中所要求保護(hù)的方法，包括在將針對(duì)分析面元的分集通道所確定的相位值進(jìn)行組合之前對(duì)其進(jìn)行分析。
78.如權(quán)利要求77中所要求保護(hù)的方法，其中，分析所述相位值包括向已處理相位值施加質(zhì)量度量并基于所述質(zhì)量度量將所述相位值進(jìn)行組合。
79.如權(quán)利要求63至78中的任一項(xiàng)中所要求保護(hù)的方法，還包括與所述第一和第二脈沖對(duì)中的至少一個(gè)處于所述光纖的感測(cè)部分中同時(shí)地向所述光纖中發(fā)射至少一個(gè)附加脈沖序列，其中，所述至少一個(gè)附加脈沖序列具有與所述第一和第二脈沖對(duì)的頻率配置不同的頻率配置。
80.—種分布式光纖傳感器設(shè)備,包括: 光源，被配置成生成用于發(fā)射到光纖中的一系列光學(xué)脈沖對(duì)，以及 光學(xué)檢測(cè)路徑，包括: 至少一個(gè)檢測(cè)器，被配置成檢測(cè)從所述脈沖對(duì)反向散射的任何輻射；以及 處理電路，被耦合到所述至少一個(gè)檢測(cè)器，其中，所述處理電路被配置成基于來(lái)自所述脈沖對(duì)的所檢測(cè)反向散射輻射來(lái)確定用于光纖的至少一個(gè)給定區(qū)段的相位值； 其中，所述脈沖對(duì)和光學(xué)檢測(cè)路徑被如此配置，使得所述光學(xué)檢測(cè)路徑的帶寬足以表示反向散射輻射的基本上所有頻率含量。
81.—種分布式光纖傳感器設(shè)備,包括光源，被配置成向光纖中發(fā)射一系列脈沖對(duì)，檢測(cè)器，被配置成檢測(cè)在所述光纖內(nèi)被反向散射的輻射，以及處理裝置，其被耦合到所述檢測(cè)器，以形成至少一個(gè)通道信號(hào)，所述通道信號(hào)包括在每個(gè)脈沖對(duì)的發(fā)射之后基本上同時(shí)獲取的反向散射輻射的樣本；并將所述通道信號(hào)進(jìn)行解調(diào)以確定用于光纖的相關(guān)區(qū)段的相位值。
82.—種分布式光纖傳感器設(shè)備,包括: 光源，被配置成生成用于發(fā)射到光纖中的脈沖對(duì)，其中，所述脈沖對(duì)包括在脈沖之間具有頻率差的第一和第二脈沖； 檢測(cè)器，被配置成在使用中檢測(cè)來(lái)自所述光纖的反向散射干涉信號(hào)，其中，所述檢測(cè)器以一定的速率被采樣，使得所述反向散射干涉信號(hào)的連續(xù)樣本具有預(yù)定相對(duì)相位差；以及處理器，被配置成通過(guò)使用所述預(yù)定相對(duì)相位差來(lái)處理所述樣本，以導(dǎo)出用于所述光纖的多個(gè)感測(cè)部分中的每一個(gè)的相位信號(hào)。
83.如權(quán)利要求82中所要求保護(hù)的分布式光纖傳感器設(shè)備，其中，連續(xù)樣本之間的所述預(yù)定相位差是90°。
84.—種分布式光纖傳感器,包括光源,被配置成生成將被發(fā)射到光纖中的一系列相位編碼脈沖對(duì)，以及檢測(cè)器和處理器，其被調(diào)諧至所述相位編碼以將來(lái)自所述脈沖對(duì)的從所述光纖內(nèi)反向散射的光所形成的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，其中，所述測(cè)量信號(hào)處于所述傳感器設(shè)備的此基帶內(nèi)的 頻率。
【文檔編號(hào)】G01D5/353GK103635782SQ201280027631
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2012年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月8日
【發(fā)明者】A.劉易斯, S.拉塞爾 申請(qǐng)人:光學(xué)感應(yīng)器控股有限公司