光纖分布式感測的制作方法
【專利摘要】本申請描述了用于分布式光纖感測，尤其是分布式聲學/應變感測的方法和設備。該方法涉及向光纖中發(fā)射詢問輻射并以一定速率對從所述光纖內反向散射的輻射進行采樣，以便獲取與每個感興趣感測部分相對應的多個樣本。所述多個樣本被劃分成單獨的處理通道并被處理以確定用于該通道的相位值。然后將質量度量施加于已處理相位數(shù)據(jù)并基于質量度量來將數(shù)據(jù)組合以提供用于感測部分的總相位值。該質量度量可以是來自通道的已處理數(shù)據(jù)的相似程度的度量。詢問輻射可以包括由相對寬的間隙所分離的兩個相對窄的脈沖，并且采樣率可以被如此設置，使得獲取多個基本上獨立的分集樣本。
【專利說明】光纖分布式感測
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖分布式感測，并且特別地涉及用于確定所述光纖上的相位調制的方法和設備，并且尤其涉及光纖分布式聲學感測。
【背景技術】
[0002]光纖分布式聲學傳感器是已知的。此類傳感器用光輻射來詢問光纖并測量由影響光纖的聲波引起的對輻射的改變。
[0003]美國專利US5，194，847 (Texas A & M大學)描述了用輻射的重復相干脈沖來詢問光纖并檢測在光纖內被Raleigh反向散射的任何輻射。每次用單個脈沖來詢問光纖，并分析反向散射輻射的振幅以檢測由聲/壓力波引起的光纖的任何擾動。本文件教導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傳感器。
[0004]英國專利申請GB2，222，247 (Plessey)描述了另一分布式光纖傳感器，其中，通過沿著光纖傳輸光脈沖來感測諸如聲波的環(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緊密間隔的脈沖，第一脈沖具有與第二脈沖不同的頻率。來自光纖內的脈沖的反向散射能夠在載波頻率下被檢測和分析，該載波頻率等于詢問脈沖之間的頻率差。在檢測器處接收到的信號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]英國專利申請GB2，442，745 (AT & T)描述了使用光纖的分布式聲學感測。本文件再次教導了脈沖對的使用，其中，脈沖對的各個脈沖具有不同的頻率。反向散射信號在載波頻率下被分析，該載波頻率對應于脈沖對中的脈沖之間的頻率差。本文件教導了在脈沖對中的脈沖之間的已知頻率差下向所檢測的反向散射信號施加復解調以提供用于載波頻率的同相(I)和正交(Q)信號。這些然后被轉換以提供信號的相位和振幅。然后監(jiān)視來自相同光纖區(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。
[0006]本文件(GB2，442，745)教導的是脈沖對中的脈沖之間的頻率差應與脈沖寬度有關。給出了 20m寬度的脈沖和至少5MHz的一對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構，即所檢測反向散射中的隨機但系統(tǒng)化圖案，能夠掩蔽或破壞載波信號并減小傳感器的信噪比。系統(tǒng)的此基帶結構部分地由光纖中的散射部位的隨機分布、由熱漂移等所引起，并且因此不能被消除。通過使用例如約幾百MHz的較高載波頻率，能夠緩解系統(tǒng)的測量信號和基帶噪聲的交叉的效應。然而，此類高載波頻率的使用將要求超過幾百MHz的檢測器采樣率。這不僅將要求用于詢問器單元的非常快速的部件并大大地增加所需的處理量，而且高得多的檢測器帶寬也將影響檢測器的靈敏度。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明提供了用于光纖分布式傳感器的改進方法和設備，尤其是緩解上述缺點中的至少一些的分布式聲學傳感器。[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備,包括:光源，被配置成在使用中向光纖中發(fā)射詢問輻射；采樣檢測器，被配置成在使用中對從所述光纖內反向散射的詢問輻射進行采樣；以及處理器，被配置成確定用于所述光纖的至少一個空間感測部分的任何相位調制，其中，所述處理器被配置成:在每次發(fā)射之后取得與從感興趣空間感測部分的至少一部分反向散射的輻射相對應的多個樣本；將所述多個樣本劃分成多個處理通道；處理所述多個處理通道中的至少一些以確定用于所述通道的至少相位數(shù)據(jù)；向來自所述處理通道的所述數(shù)據(jù)施加質量度量；以及基于施加所述質量度量的結果將用于所述通道的所確定的相位數(shù)據(jù)組合成用于所述感興趣空間感測部分的總相位值。
[0010]在使用中，分布式光纖傳感器反復地用詢問輻射來詢問光纖并檢測從光纖內反向散射的任何詢問輻射，如在分布式光纖傳感器中慣常的那樣。傳感器分析來自詢問輻射的不同發(fā)射的從光纖反向散射的輻射以確定對于感興趣感測部分而言在所檢測輻射中是否存在任何相位調制。
[0011]如稍后將更詳細地描述的，到達檢測器的反向散射輻射將從光纖內的本征散射部位散射。在任何時刻到達檢測器的輻射將對應于從散射部位反向散射的輻射，該散射部位遍及光纖的一個或多個區(qū)段而被分布(取決于詢問福射的形式)。各種反向散射信號將在檢測器處干涉，并且得到的干涉信號將具有相位特性，該相位特性取決于詢問輻射的特性、到散射部位的光程長度，以及還取決于散射部位在光纖內的分布。由于散射部位的分布是實際上隨機的，所以得到的干涉信號具有隨機元素。實際上，散射部位形成干涉儀，并且此干涉儀的相對相位偏置位置取決于散射部位在光纖內的分布，其是隨機的。然而，在不存在任何外界刺激的情況下，來自第一組散射部位的反向散射特性在詢問輻射的連續(xù)發(fā)射之間將是基本上相同的，g卩相位偏置位置在發(fā)射之間的時間標度上將保持相同。
[0012]導致光纖內的光程長度變化的光纖上的任何刺激，諸如光纖上的入射聲波或其他壓力波或應變，可能導致用于光纖的相關部分的反向散射信號中的相位調制，即隨時間推移的來自光纖的給定部分的反向散射信號的相位特性中的變化。因此，通過確定影響感興趣空間感測部分的任何相位調制的存在和程度，可以檢測影響該感測部分內的光纖的任何刺激，諸如聲學刺激。
[0013]由于散射部位的分布是實際上隨機的，所以存在的可能性是，來自給定的一組散射部位的反向散射信號相消地干涉以有效地抵消或另外產生具有在系統(tǒng)的噪聲基底以下的低強度的得到的信號。換言之，干涉信號可能遭受衰落。即使信號尚未完全衰落，其也可能遭受低信噪比，這可能降低傳感器的靈敏度或準確度。因此，如果要針對每個感興趣空間感測部分獲取單個樣本，則存在的可能性是，這樣的樣本將遭受衰落，并且可能不會檢測到可靠的干涉信號，或者干涉信號的信噪比將是低的。
[0014]在根據(jù)本發(fā)明的此方面的分布式光纖傳感器中，從詢問輻射的每次發(fā)射針對每個感興趣感測部分獲取反向散射輻射的多個樣本。處理對應于感興趣感測部分的所述多個樣本以確定用于該感測部分的相位值，并且因此可以在對應于感興趣感測部分的分析面元(bin)中分析該樣本。因此，例如，可以將分布式光纖傳感器如此布置，以便提供光纖的多個縱向感測部分，光纖的每個感測部分具有特定長度，例如10m。采樣檢測器的采樣率因此被設置得足夠高，使得對于每個IOm的光纖區(qū)段，取得多個單獨樣本。這些單獨樣本能夠被視為分集樣本。[0015]根據(jù)本發(fā)明的此方面，反向散射數(shù)據(jù)的處理涉及將所述多個分集樣本劃分成多個處理通道并處理這些通道中的至少一些以確定用于該通道的相位數(shù)據(jù)。然后向已處理數(shù)據(jù)施加質量度量。然后將該質量度量考慮在內，將針對通道所確定的相位數(shù)據(jù)組合以提供用于感興趣感測部分的相位值。這導致用于感興趣感測部分的總相位值，與常規(guī)分布式光纖傳感器相比，該總相位值較不易于衰落且具有更好的信噪比。然后能夠使用該總相位值來檢測影響感興趣感測部分的任何相位調制。
[0016]實際上，質量度量確定來自特定通道的數(shù)據(jù)是具有高質量還是低質量。然后在將來自各種通道的數(shù)據(jù)組合時將來自通道的數(shù)據(jù)的質量的此評定考慮在內以確保用于感興趣感測部分的高質量相位值。
[0017]存在能夠考慮質量度量來將數(shù)據(jù)組合的各種方式，例如可以對較低質量數(shù)據(jù)給定相比較高質量數(shù)據(jù)更低的加權或者將其完全從組合中省略掉，如稍后將更詳細地描述的。這樣，能夠在將來自各種通道的數(shù)據(jù)組合時將數(shù)據(jù)通道的相對質量考慮在內，結果是遭受高噪聲或低信噪比的任何通道與具有良好信噪比的那些通道相比可以對總相位值具有較少的影響。
[0018]有利地，質量度量可以包括關于用于給定通道的數(shù)據(jù)與來自其他已處理通道的數(shù)據(jù)之間的相似程度的確定。換言之，分析來自已處理通道的數(shù)據(jù)以確定來自一個通道的結果是否相似于來自其他通道的結果。處理器因此可以分析來自各種通道的數(shù)據(jù)。處理器可以基于來自一個通道的數(shù)據(jù)如何相似于來自另一通道的數(shù)據(jù)來確定分數(shù)。
[0019]本發(fā)明已實現(xiàn)的是，針對上述類型的分布式光纖傳感器，當外界刺激影響感興趣感測部分時，其可以按照基本上相同的方式很好地影響對應于該感興趣感測部分的多個樣本。換言之，在理想條件下，對應于感興趣感測部分的多個分集樣本中的每一個將展現(xiàn)出相同的相位調制程度。
[0020]如上文針對分布式聲學傳感器所述，感興趣感測部分的長度可以為約IOm左右或更小，并且一些實施例可以使用短得多的感興趣感測部分，例如約Im左右。對于約IOm左右的感測部分而言，(從詢問輻射的每次單獨發(fā)射)獲取對應于該感測部分的多個分集樣本要求快速的采樣時間。采樣檢測器可以被配置成在對于詢問輻射在光纖中行進等于感興趣感測部分的長度兩倍的距離所花費的時間中獲取多個樣本。例如，獲取對應于光纖的IOm感測部分的十個樣本要求在對于光纖中的輻射行進20m所花費的時間(即用于光進一步向光纖中行進IOm并返回的時間)中獲取十個樣本。因此，對于具有約1.5的折射率的光纖而言，將要求約IOOMHz的采樣率。因此可以在約一百MHz左右的相對高采樣率下獲取分集樣本，其比擾動在正在測量的光纖上的演進速率快得多。在此時間標度內，即使很可能將被分布式光纖傳感器所檢測的最高頻率聲信號也將不會改變很多，采取低頻率長k矢量聲學擾動和緩慢的聲學傳播速度。對于其中光纖被掩埋在地下或被嵌入材料中的分布式光纖傳感器而言，幾百Hz以上的頻率很可能將被強烈地衰減，并且傳感器將主要檢測200Hz或以下的頻率。此外，對于此類入射信號而言，很可能的是，在感興趣感測部分內引起光纖內的光程長度變化的任何入射聲波很可能影響光纖的IOm區(qū)段的大部分。因此，能夠進行的假設是，與感興趣感測部分相對應的所述多個樣本中的每一個正在測量同一入射刺激。
[0021]本發(fā)明的此實施例因此基于以下假設進行操作，在處理之后，來自每個通道的數(shù)據(jù)在理想的非衰落條件下應展現(xiàn)出相同的相位調制。因此，其中已處理相位數(shù)據(jù)相似于來自其他通道的數(shù)據(jù)的通道可以指示相關通道全部正在正確地測量相同的刺激，而其中已處理數(shù)據(jù)與其他通道的數(shù)據(jù)不匹配的任何通道可以指示已衰落或噪聲主導的樣本。
[0022]因此向來自已處理通道的已處理相位數(shù)據(jù)施加質量度量以確定已處理通道之間的自相似程度?？梢杂墒箒碜砸粋€通道的數(shù)據(jù)與來自其他通道的數(shù)據(jù)相關的處理器來確定來自各種通道的已處理數(shù)據(jù)之間的自相似程度。
[0023]在一個實施例中，質量度量通過針對每個通道確定當前值與用于該通道的平均值的變化程度來確定來自兩個通道的數(shù)據(jù)之間的相似性。度量可以包括將來自每個通道的變化程度乘在一起，即質量度量可以包括針對兩個通道確定Ml (A, B) = (A - <Α?.(B -〈B?形式的第一度量，其中，A和B是來自通道的當前數(shù)據(jù)值，并且<Α>和〈B〉是來自通道的數(shù)據(jù)的平均值。然而，此度量僅能夠給出用于具有大DC分量的信號的大的結果。因此，有利地，可以使用第二度量M2來確定兩個信號之間的差的量值的測量結果。度量M2可以具有Μ2(Α，B) = ((A - <Α? - (B -〈B〉))2形式?？梢葬槍νǖ赖拿總€組合來計算這兩個度量并將其用來確定相互最相似的通道?？梢酝ㄟ^以下來來計算總度量Mq:確定第一和第二度量之間的差，即質量度量可以具有Mq(Α，B) =Ml (Α, B) -M2 (Α, B)形式，或者確定第一和第二度量的平均值之間的差，即Mq (Α，B) = <M1 (A, B)> - <M2 (A, B)>。然后可以使用所計算的質量度量Mq的值來確定最為自相似的那些通道。
[0024]在一個實施例中，處理器在考慮用于每個其他通道的數(shù)據(jù)時針對每個通道確定質量度量的結果。使用諸如上述的度量，這將有效地導致關于來自該通道的當前數(shù)據(jù)與來自另一通道的數(shù)據(jù)如何相似的一系列分數(shù)。因此，對于第一通道而言，將存在針對每個其他通道的分數(shù)。
[0025]然后可以基于此質量度量將相位數(shù)據(jù)與施加于每個已處理通道的結果的適當加權相組合。例如，在組合中可以對相互非常相似的來自通道的數(shù)據(jù)給定相對高的加權，而在組合中對相互較不相似的已處理相位值給定相對低的加權。以這種方式，該組合實際上對良好質量的樣本給定更多權重且對不良質量的樣本給定較少的權重，并且因此與常規(guī)組合技術相比提高了信噪比。
[0026]另外或者替換地，只有來自通道的已處理值(自相似的那些)的子集可以被用來形成組合相位值。
[0027]該子集可以包括來自預定數(shù)目的通道的數(shù)據(jù)。換言之，該方法可以包括以下步驟:當N>M且M的值是預定的時，從可用的N個通道中選擇M個最為自相似的結果。例如，如果獲取了與光纖的特定感測部分相對應的約10個樣本且每個在單獨的通道中被處理，即N =10，則例如可以選擇五個最為自相似的已處理數(shù)據(jù)值(M = 5)來組合。因此，當形成組合相位值時所使用的通道的數(shù)目以及因此樣本的數(shù)目可以隨時間推移是恒定的，并且對于光纖的每個感測部分而言可以是相同的。這可以使得稍后處理中的一些容易，因為每個組合相位值由相同數(shù)目的單獨樣本形成?？梢杂蓚鞲衅鞯挠脩魜眍A先配置從其取得數(shù)據(jù)以形成子集的通道的數(shù)目M。
[0028]替換地，被用來形成子集的已處理數(shù)據(jù)的通道的數(shù)目可以基于數(shù)據(jù)本身而是可變的。例如，可以向來自每個單獨通道的結果施加質量度量以確定與來自其他通道的數(shù)據(jù)的自相似的程度，并且可以將相互充分相似的所有結果組合，其在某些情況下可以包括所有通道。可以對來自每個通道的數(shù)據(jù)給定分數(shù)，并且可以在組合中使用具有在設定閾值以上的分數(shù)的任何數(shù)據(jù)。因此，如果十個已處理數(shù)據(jù)值中的八個相互相似，例如分數(shù)足夠高，則可以將這八個相似數(shù)據(jù)值組合，但是對于光纖的另一感測部分而言，如果僅四個通道產生相互相似的結果，則可以僅將來自那四個通道的數(shù)據(jù)組合。
[0029]改變被用于組合以產生總相位值的通道的數(shù)目將影響系統(tǒng)的噪聲性質。因此，可以將處理器布置成基于在組合中所使用的通道的數(shù)目對總相位值進行校準。處理器還可以提供在執(zhí)行組合時所使用的分析面元的通道數(shù)目的指示。
[0030]還將認識到的是，針對感興趣感測部分的得到的值的相位中心可以根據(jù)實際上被選擇用于組合的通道而變化。與感興趣感測部分相對應的所述多個樣本中的每一個將包括來自光纖的略微不同區(qū)段的反向散射輻射。因此，例如，如果來自十個可能通道中的五個通道的數(shù)據(jù)被選擇用于組合，則如果前五個通道是所選擇的那些，則得到的組合值的相位中心將向感測部分的一側傾斜。因此還可以將處理器布置成提供在組合和/或相位中心的估計中所使用的相關通道或至少通道的擴展的指示。
[0031]如上所述，基于與感興趣感測部分相對應的通道的已解調相位值的自相似性的質量度量依賴于的假設是，各種通道中的每一個正在經歷相同的一般刺激。這在大多數(shù)情況下是合理的假設，但是其對于一些精密應用或者在可以預期具有高波數(shù)的入射波的情況下可能是不夠的。在這種情況下，可能期望在評定之前向每個通道的相位值施加一些時間調整以將聲學刺激的到達方向考慮在內，即應用一些波束成形類型的技術。
[0032]在一個實施例中，還可以處理與感興趣感測部分相對應的多個樣本以確定用于測量信號的振幅數(shù)據(jù)以及相位值。該振幅數(shù)據(jù)還可以在質量度量中被使用。如果獲取遭受衰落的樣本，則已解調測量信號將趨向于具有低振幅變化。然而，對于碰巧與導致最大反向散射強度的相位偏置位置一致的高質量信號而言振幅變化也可能是低的。因此處理器可以適合于基于當前振幅值和幾個先前值來確定來自每個通道的振幅數(shù)據(jù)的AC與DC比，即與用于每個通道的平均振幅相比的振幅變化的水平的比。AC至DC比可以被用作相關通道數(shù)據(jù)的當前信噪比的指示。相對高的比可以指示相對高的SNR，而低值可以表示低SNR。因此可以丟棄來自具有在閾值以下的AC與DC比值的通道的導出相位值。另外或替換地，可以在形成組合值時對相位值給定加權，該加權至少部分地基于AC與DC比。
[0033]可以將處理器布置成處理與感興趣感測部分相對應的所述多個樣本中的每一個以導出已處理相位和可能振幅值。因此如果獲取了與每個感興趣感測部分相對應的比方說八個樣本，則將存在八個通道且每個可以被處理。然而，在一個實施例中，處理器被配置成估計用于通道的信噪比，并且如果該信噪比在某個閾值以上，則僅處理該通道中的數(shù)據(jù)。因此可以將處理器配置成在處理樣本以確定用于該通道的相位值之前確定每個通道中的分集樣本的平均強度，即逐發(fā)射針對特定分集通道所獲取的樣本。樣本的低平均強度很可能指示相關通道當前是衰落的。因此，為了降低處理開銷，可以從處理中省略對于其而言平均強度在某個設定極限以下的通道。
[0034]有利地，與感興趣感測部分相對應的多個樣本中的大多數(shù)是基本上獨立的分集樣本。
[0035]如上所述，在任何給定時刻，根據(jù)詢問輻射的形式，在檢測器處接收到的反向散射信號可以包括從光纖的一個或多個區(qū)段反向散射的輻射。通常，詢問輻射將包括光學輻射的一個或多個脈沖(注意，如本文所使用的，術語光學輻射將包括紅外或紫外輻射以及可見光波長下的輻射)。例如，如果詢問輻射將包括以一定間隙分離的兩個脈沖，則將從光纖的兩個單獨區(qū)段產生在任何時刻到達檢測器的反向散射輻射，兩個貢獻區(qū)段以一定間隙被分離。
[0036]因此每個樣本根據(jù)詢問輻射的形式而有效地對應于來自一個或多個貢獻區(qū)段的反向散射信號。光纖的貢獻區(qū)段有效地定義采樣窗口。光纖中的采樣窗口的位置取決于發(fā)射詢問輻射之后的時間。在任何兩個連續(xù)樣本之間，光纖內的相應貢獻區(qū)段的位置以及因此采樣窗口將已移動。
[0037]因此有利地獲取所述多個樣本，使得對于每個樣本而言，可以從其接收到來自詢問輻射脈沖的反向散射信號的光纖的每個貢獻區(qū)段基本上獨立于所述多個樣本的其余部分中的大多數(shù)的對應貢獻區(qū)段。換言之，對于大多數(shù)樣本而言，在對應的貢獻區(qū)段之間基本上不存在重疊。因此，如果詢問輻射包括以一定間隙分離的第一脈沖和第二脈沖，因此針對每個樣本定義第一貢獻區(qū)段和第二貢獻區(qū)段，則獲取樣本，使得用于樣本的第一貢獻區(qū)段的位置基本上不與用于大多數(shù)其他樣本的第一貢獻區(qū)段的位置重疊，并且同樣地用于該樣本的第二貢獻區(qū)段的位置基本上不與用于大多數(shù)其他樣本的第二貢獻區(qū)段的位置重疊。
[0038]如果對于兩個或更多樣本而言在對應的貢獻區(qū)段之間存在顯著重疊，則此類樣本將不會完全相互獨立。用于針對重疊區(qū)域中的任何散射部位出現(xiàn)的復合信號的光學特性對于每個樣本而言將是實際上相同的，并且如果第一樣本將展示出干涉信號的強衰落，則第二樣本也將很可能展示出強衰落。通過確保對于大多數(shù)樣本而言對應的貢獻區(qū)段并不重疊，然后針對感興趣感測部分獲取多個獨立的分集樣本。其是通過處理基本上獨立的樣本且然后將實現(xiàn)改善的信噪比和衰落抵抗力的最佳益處的高質量樣本進行組合。
[0039]在一些實施例中，可以獲取所述多個樣本，使得對于每個樣本而言，每個貢獻區(qū)段基本上獨立于所述多個樣本的其余部分的75%或更多的對應貢獻區(qū)段。對于與其中存在一些重疊的感興趣感測部分相對應的多個樣本內的那些樣本而言，與用于所述多個樣本內的任何其他樣本的對應貢獻區(qū)段相比，用于一個樣本的光纖的貢獻區(qū)段之間的重疊程度可以是50%或更少，或者在一些實施例中為25%或更少，或者在一些實施例中為10%或更少。在一些實施例中，每個樣本被如此布置，使得每個貢獻區(qū)段基本上獨立于用于所述多個樣本中的所有其余部分的對應貢獻區(qū)段。
[0040]將認識到，在詢問輻射包括輻射的至少第一和第二脈沖，因此導致用于每個樣本的光纖的至少相應第一和第二貢獻區(qū)段的情況下，形成用于一個樣本的第一貢獻區(qū)段的一部分的光纖區(qū)段還可以形成用于不同樣本的第二貢獻區(qū)段的一部分，即在用于一個樣本的第一貢獻區(qū)段與用于第二樣本的第二貢獻區(qū)段的位置之間可以存在重疊。然而，與對應貢獻區(qū)段的重疊相比，不同樣本中的不同(非對應)貢獻區(qū)段的重疊遠不那么有意義。例如，第一和第二脈沖可以具有不同的光學特性，諸如不同的頻率，并且與第二頻率下的第二脈沖相比，響應于第一頻率下的第一脈沖，散射部位的給定分布將引起不同的復合信號。即使兩個脈沖的光學特性將是完全相同的，對于大多數(shù)樣本而言，用于每個樣本的對應貢獻區(qū)段基本上不重疊的要求將意味著大多數(shù)樣本在很大程度上是獨立的。
[0041]對不同樣本有貢獻的光纖的貢獻區(qū)段之間的重疊程度由相關樣本之間的時間和詢問輻射的形式所確定。例如，考慮在光纖中行進以便在用于第一樣本的第一位置處和用于第二樣本的第二位置處定義光纖的貢獻區(qū)段的詢問輻射的單獨脈沖。對應貢獻區(qū)段之間的重疊程度取決于脈沖的持續(xù)時間，其定義光纖中脈沖的空間寬度，以及還有第一和第二樣本之間的時間。如果脈沖具有持續(xù)時間Tp且第一和第二樣本之間的時間等于Tp的四分之一，則用于第一樣本的貢獻區(qū)段的四分之三(3/4)將與用于第二樣本的貢獻區(qū)段重疊，gp將存在75%的重疊程度。
[0042]因此，可以相對于詢問輻射的形式來布置檢測器的采樣率以獲取分集樣本，如上所述。因此，在一個實施例中，詢問輻射可以至少包括具有第一脈沖持續(xù)時間的第一脈沖，并且獲取所述多個樣本，使得樣本之間的時間差大于用于所述多個樣本中的大多數(shù)的第一脈沖持續(xù)時間。換言之，如果在第一采樣時間獲取第一樣本，則在與第一采樣時間相差超過脈沖持續(xù)時間的采樣時間獲取所述多個樣本的大多數(shù)其余部分。可以獲取樣本，使得與感興趣感測部分相對應的多個樣本中的任何兩個樣本之間的時間差為脈沖持續(xù)時間的至少50%。在一些實施例中，任何兩個樣本之間的時間差可以是脈沖持續(xù)時間的75%或更多，并且在一些實施例中該時間差可以至少等于脈沖持續(xù)時間。
[0043]常規(guī)上，檢測器的采樣率被如此布置，使得一系列連續(xù)樣本能夠被直接用作對應于感興趣感測部分的多個樣本。然而，如果采樣率是這樣的，使得連續(xù)樣本未被認為是充分獨立的，則可以通過僅取得在該采樣率下將獲取的樣本的子集來形成所述多個樣本。例如，可以使用每個第η樣本來形成對應于感興趣感測部分的所述多個樣本。
[0044]在一個實施例中，可以將光源如此配置，使得詢問輻射包括第一脈沖和第二脈沖，在其之間具有間隙或延遲，即詢問輻射可以包括脈沖對，在該對的脈沖之間具有時間(且因此在光纖內，空間)間隔。第一脈沖的持續(xù)時間(且因此空間寬度)可以與第二脈沖的持續(xù)時間相同，雖然其不需要是相同的。在一個實施例中，第一和第二脈沖之間的持續(xù)時間，即第一脈沖的結束與第二脈沖的開始之間的時間，可以等于或大于第一和/或第二脈沖的脈沖持續(xù)時間。換言之，一個(和有利地兩個)脈沖的空間寬度可以短于脈沖之間的空間間隔。有利地，第一和第二脈沖之間的間隙可以至少是脈沖寬度的兩倍。與脈沖之間的間隙相比具有相對窄的脈沖寬度的脈沖結構在允許在傳感器的最大可實現(xiàn)空間分辨率內獲取分集樣本方面可以是有利的。
[0045]如上所述，用包括在時間上與第二脈沖分離的第一脈沖的脈沖對來詢問光纖確保了每個樣本將對應于來自以一定間隙分離的光纖的第一和第二貢獻區(qū)段中的第一貢獻區(qū)段的反向反射信號。包括兩個貢獻區(qū)段及其之間的間隙的光纖長度實際上是用于該樣本的采樣窗口，并且在該采樣窗口內，但尤其是在兩個貢獻區(qū)段之間，作用于光纖上的任何聲學調制可以導致可檢測的相位調制。
[0046]通過使用其中脈沖與其之間的間隙相比相對較窄的詢問輻射，能夠獲取是基本上獨立的分集樣本的樣本，如上文所討論的，但是其中用于樣本的采樣窗口可以重疊。例如，考慮以一定間隙分離的包括均具有相同脈沖持續(xù)時間的兩個脈沖的詢問輻射，所述間隙至少為脈沖持續(xù)時間的兩倍。對于此類詢問輻射而言，用于每個樣本的采樣窗口對應于以一定間隙分離的每個具有某個長度(等于光纖內的脈寬的一半)的光纖的兩個貢獻區(qū)段，所述間隙等于貢獻區(qū)段的寬度的至少兩倍。如果采樣率被設置成等于脈沖持續(xù)時間，則在樣本之間的時間中，光纖中的采樣窗口的位置將實際上移動等于貢獻區(qū)段的寬度的距離。因此，在第一樣本與第二樣本之間，將基本上不存在用于每個樣本的對應貢獻區(qū)段之間的重疊，但是用于連續(xù)樣本的采樣窗口將基本上重疊。因此，能夠從每個樣本獨立地檢測影響兩個采樣區(qū)域內的光纖的任何聲學刺激。此形式的詢問輻射因此在使用以來自每個分集通道的已處理數(shù)據(jù)的相似性為基礎的質量度量時是特別有利的。
[0047]將理解的是，所述多個樣本中的每個樣本對應于感興趣感測部分，因為用于每個此類樣本的采樣窗口將至少部分地位于感興趣感測部分內。然而，應注意的是，采樣窗口可以僅部分地位于感興趣感測部分內，并且還可以部分地位于感興趣感測部分外面。例如，考慮到詢問輻射包括在其之間具有間隙的第一和第二脈沖，使得對應于每個樣本的采樣窗口是光纖中的第一長度，比如說例如10m。因此，分布式光纖傳感器的最佳可實現(xiàn)空間分辨率等于第一長度，即10m。因此，可以將感興趣感測部分定義成與第一長度相同長度的光纖區(qū)段，即10m，其為最佳可實現(xiàn)空間分辨率。檢測器的采樣率被如此設置，使得針對每個感興趣感測部分獲取一定數(shù)目的樣本，即在對于采樣窗口在光纖中移動等于感測部分長度的距離所花費的時間中，例如可以獲取十個樣本，其對于在長度上IOm的感測部分而言要求采樣窗口的位置在樣本之間相差lm。然后可以將感興趣感測部分取為用于第一樣本的采樣窗口的位置與用于最后一個樣本的采樣窗口位置之間的光纖的任何IOm區(qū)段，但是方便地，將其取為光纖的IOm區(qū)段,其在用于第一和最后一個樣本的米樣窗口的位置之間的中途。
[0048]在一個實施例中，在詢問輻射包括兩個脈沖(即脈沖對)的情況下，可以將光源如此配置，使得脈沖對的脈沖在其之間具有頻率差，即第一脈沖具有與第二脈沖不同的頻率。該頻率差可以定義諸如在GB2，442，745中所描述的載波頻率。
[0049]將注意的是，GB2，442，745確實討論了獲取用于感興趣感測部分的多個樣本。給出的示例是，感興趣感測部分約為20m長，并且以使得在每個樣本之間用于每個樣本的采樣窗口的位置將移動大約稍稍超過Im的速率來獲取樣本。然而，GB2，442，745并未在分集通道中單獨地處理每個樣本以導出相位值。GB2, 442，745教導了從每個樣本生成I和Q信號，并且然后使用FIR濾波器有效地對采樣一起求平均，并且然后取得用于每個感興趣感測部分的單個輸出值。然后僅處理平均值以確定相位值。因此，GB2，442，745實際上教導了在處理之前對若干個樣本一起求平均。進一步要注意的是，在GB2，442，745中，詢問輻射的優(yōu)選形式是約20m長的輻射脈沖，其重疊或者是鄰接的。因此，在IOOMHz的采樣率下獲取的單獨樣本將不會是在很大程度上獨立的。
[0050]然而，在另一實施例中，光源被配置成反復地向光纖中發(fā)射脈沖對，其中，連續(xù)發(fā)射中的脈沖對具有與彼此相同的頻率配置，并且被如此生成使得一個脈沖對的脈沖的相位關系具有與連續(xù)脈沖對的相位關系的預定相對相位差。
[0051]根據(jù)本實施例的感測設備確保脈沖對中的脈沖的相對相位關系受到控制。脈沖對因此具有已知相對相位編碼。這種已知相位編碼確保來自被第一脈沖對照亮的光纖中的任何給定位置的反向散射干涉信號具有與由來自光纖中的同一位置的第二脈沖對所生成的干涉信號相同的預定相對相位差。通過控制此相位編碼，能夠生成干涉的分析版本。因此，對于光纖中的給定位置而言，由第一和第二(即連續(xù))脈沖對所生成的反向散射信號能夠被處理以確定用于光纖的該區(qū)段的相位值，即使當干涉信號在傳感器的基帶噪聲內時，如稍后將更詳細地描述的。然后能夠監(jiān)視隨時間推移針對光纖的給定區(qū)段而確定的相位值以檢測由于光纖上的聲學刺激而引起的任何相位調制。
[0052]處理器因此可以被配置成基于來自連續(xù)脈沖對的所檢測反向散射輻射來確定用于光纖的至少一個給定區(qū)段的相位值。因此，使用從不同脈沖對的發(fā)射所獲取的樣本來有效地將相位值進行解調。
[0053]本領域的技術人員將認識到的是，在測量的時間標度內，脈沖對的脈沖應是充分地相干的，以允許處理確定相位值。光源因此可以是高度相干光源。
[0054]在一個實施例中，預定相對相位差具有約90°的量值。具有等于90°的預定相位相位差在易于后續(xù)處理以及返回物(returns)的良好質量方面可能是有利的，如將被描述的。如所述的，來自連續(xù)脈沖對的反向散射干涉信號將展示出預定相位差。因此在一些實施例中，使用90°相位差允許反向散射信號被直接用作同相(I)和正交(Q)分量?？梢蕴幚磉@些分量以導出I和Q值，其能夠通過例如直角坐標至極坐標轉換而被轉換成相位值。然而，如果期望的話，可以使用其他預定相對相位差。
[0055]脈沖對具有與彼此相同的頻率配置。如在本說明書中所使用的，術語頻率配置將被理解為意指脈沖對中的脈沖的絕對頻率。因此如果第一脈沖對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)，則第二脈沖對的頻率也分別是Fl和F2。
[0056]在一個實施例中，脈沖對中的脈沖在其之間具有頻率差，并且脈沖對被如此生成，以便被發(fā)射到光纖中，使得不同脈沖對的發(fā)射之間的時間對應于等于一對中的脈沖之間的頻率差的頻率下的用于信號中的預定相對相位變化的時間。
[0057]在本實施例中，每個脈沖對包括在一對中的脈沖之間具有頻率差的脈沖。如上所述，這將導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。在本發(fā)明的此實施例中，載波頻率與脈沖對的發(fā)射速率有關。
[0058]如稍后將更詳細地描述的，本發(fā)明的此實施例允許逐發(fā)射確定載波信號。因此，來自光纖的每個部分的信號，即包括在每個脈沖對的發(fā)射之后基本上同時地獲取的反向散射輻射的樣本的信號，能夠在相關載波頻率下被解調并被用來導出用于光纖的適當區(qū)段的相位值。為了逐發(fā)射樣本準確地再現(xiàn)載波信號，載波頻率應小于發(fā)射速率的一半。有利地，脈沖對的發(fā)射之間的時間可以允許載波頻率下的干涉信號中的90°的預定相對相位變化。90°相位變化允許逐發(fā)射再現(xiàn)準確的載波信號并減少任何不必要的過采樣。為了實現(xiàn)90°相對相位差，第一脈沖對和第二脈沖對的發(fā)射之間的時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的發(fā)射速率的四分之一。
[0059]本實施例因此使用這樣的事實，即兩個不同頻率下，比如說Fl和F2下的信號的相位關系將隨時間推移而改變。在連續(xù)脈沖對的發(fā)射之間的時間中，將存在用于頻率Fl下的信號的η個循環(huán)和F2的頻率下的信號的m個循環(huán)的時間。本實施例控制一對中的脈沖的頻率Fl和F2和脈沖對的發(fā)射速率，使得在發(fā)射之間的時間中，n-m具有期望值，例如期望90。相位差時的0.25。
[0060]因此將認識到的是光源產生具有相同性質的脈沖對的脈沖，如同其從一個在Fl下運行且另一個在F2下運行的兩個穩(wěn)定頻率源導出的一樣。在實踐中，確保來自兩個單獨源的適當穩(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制器的單個源。假如激光器和調制器在時間上相干，則針對連續(xù)脈沖對的脈沖所產生的光將展示出相同的性質。光源因此可以包括至少一個激光器和用于對來自激光器的光進行調制以產生第一和第二脈沖對的至少一個調制器。例如，該調制器可以包括聲光調制器，雖然可以使用任何適當?shù)念l率調制器(可能將是強度調制器或開關)來生成脈沖。
[0061]將認識到的是，由于連續(xù)脈沖對具有與彼此相同的頻率配置，所以不應與在檢測器處接收到來自第二脈沖對的任何干涉信號同時地在該檢測器處接收來自光纖的任何部分的來自第一脈沖對的干涉信號。因此可以將傳感器如此配置，使得一個以上脈沖對不能夠同時地處于光纖的感測部分中，即，任何反向散射返回物可以從其到達檢測器的那部分光纖。因此，發(fā)射一個脈沖對和另一脈沖對之間的時間可以足以允許穿過光纖的來自第一脈沖對的任何信號返回物在發(fā)射第二脈沖對之前已經到達檢測器。對于具有約40km的長度的感測光纖而言，這要求至少約0.40ms (假設1.48的用于光纖的折射率)的脈沖對之間的時間或慢于約2.5kHz的發(fā)射速率。對于在長度上5km的光纖而言，發(fā)射速率可以約為20kHz ο
[0062]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，但是載波信號是逐發(fā)射可檢測的，并因此能夠生成可使用信號以及用來確定光纖的相關區(qū)段上的入射聲學刺激的此信號的相位變化。
[0063]在另一實施例中，每個脈沖對包括具有與彼此相同的頻率的兩個脈沖，并且一個脈沖對中的脈沖之間的相位差與連續(xù)脈沖對中的脈沖之間的相位差相差所述預定相對相位差。換言之，第一脈沖對中的兩個脈沖處于與彼此相同的頻率，并且在發(fā)射時具有某種相位關系。一般地，在第一脈沖對的第一和第二脈沖中的光之間將存在P1的相對相位差。第二脈沖對中的兩個脈沖也處于與彼此相同的頻率(并且第一脈沖對中的脈沖也是)，并且在其之間還具有某個相位差P2。然而，第一脈沖對中的脈沖之間的相位差被布置成與第二脈沖對之間的相位差相差預定相對相位差。例如，如果預定相對相位差為90°，則P2可以等TP1 + 90。。
[0064]改變連續(xù)脈沖對中的脈沖之間的相位差將導致形成得到的干涉信號的分量反向散射信號的相關相位中的變化。相位中的此變化允許處理來自光纖的同一位置的來自連續(xù)脈沖對的信號以確定用于光纖的該區(qū)段的相位值。對于任何給定分集通道而言(由脈沖對發(fā)射之后的采樣的時間所定義)，光纖的貢獻區(qū)段對于第一發(fā)射而言將與對于第二發(fā)射而言是相同的。在后續(xù)脈沖對的發(fā)射之間的短時間內，任何路徑長度變化將是最小的。因此，唯一的顯著變化將是由于第一和第二脈沖對的脈沖之間的相位差中的受控變化而引起的。這同樣適用于對干涉信號有貢獻的所有散射部位。
[0065]在一個實施例中，發(fā)射之間的相位差中的變化被設置成等于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)射接收到的來自光纖的給定區(qū)段的信號固有地提供I和Q分量信息。因此，可以對這些信號進行低通濾波以通過標準直角坐標至極坐標轉換來提供針對該通道而確定的I和Q值及相位值。然而，將認識到的是，可以使用相位差中的其他變化值，并且可以通過使用適合于所使用的相位變化的其他轉換方案對來自每個通道的信號進行濾波和處理。
[0066]因此，本實施例提供反向散射干涉信號，其中，在連續(xù)脈沖對中的脈沖之間存在相對相位差中的變化。來自連續(xù)脈沖對的返回物因此可以被用來確定然后能夠受到質量度量的用于相關通道的相位值，如上所述。
[0067]光源因此可以包括至少一個激光器和至少一個相移器，諸如電光調制器，其被布置成對激光輸出進行調制，以便產生第一和第二脈沖對。還可以存在強度調制器或開關以產生脈沖。
[0068]上述實施例還可以與波長復用技術一起使用，以允許同時地在感測光纖中存在具有不同頻率配置的附加脈沖序列。該附加脈沖序列可以包括如上所述的脈沖對，雖然也可以使用其他脈沖序列，諸如單個脈沖或脈沖對的其他配置。
[0069]為了避免引起疑問，應注意的是，如在本文中所使用的術語脈沖對指的是包括光的至少兩個不同脈沖的信號。各個脈沖在時間間隔或頻率間隔或這兩者的方面可以是不同的。在一些實施例中，脈沖對可以形成較長系列的脈沖的一部分，例如想象均具有不同頻率F1、F2和F3的三個脈沖，其中，三個差頻F1-F2、F2-F3和F1-F3全部是彼此不同的。此類脈沖結構可以被如此布置，使得例如F1-F2的至少一個載波頻率與脈沖串的發(fā)射速率有關,如上所述。
[0070]本發(fā)明還適用于分布式光纖感測的方法，并且特別是分布式聲學感測的方法。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種分布式光纖感測的方法，包括:向光纖中發(fā)射詢問輻射；對從所述光纖內反向散射的詢問輻射進行采樣；以及確定用于所述光纖的至少一個空間感測部分的任何相位調制，其中，確定任何相位調制的步驟包括:在每個發(fā)射之后取得與從感興趣空間感測部分的至少一部分反向散射的輻射相對應的多個樣本；將所述多個樣本劃分成多個處理通道；處理所述多個處理通道中的至少一些，以確定用于所述通道的相位數(shù)據(jù)；對所述已處理通道施加質量度量；以及基于施加所述質量度量的結果來將用于所述通道的已確定相位數(shù)據(jù)組合成用于所述感興趣空間感測部分的總相位值。
[0071]上文相對于本發(fā)明的第一方面所述的所有優(yōu)點同樣地適用于本發(fā)明的此方面的方法，并且該方法可以在任何上述實施例中被實現(xiàn)。
[0072]特別地，施加質量度量的步驟可以包括確定用于給定通道的數(shù)據(jù)與來自其他已處理通道的數(shù)據(jù)之間的相似程度?？梢酝ㄟ^使來自一個通道的數(shù)據(jù)與來自其他通道的數(shù)據(jù)相關來確定來自各種通道的已處理數(shù)據(jù)之間的自相似程度。然后可以基于此質量度量來將相位數(shù)據(jù)與施加于每個已處理通道的結果的適當加權相組合。另外或者替換地，只有來自通道的已處理值(自相似的那些)的子集可以被用來形成組合相位值。有利地，與感興趣感測部分相對應的多個樣本中的大多數(shù)是基本上獨立分集樣本。該方法因此可以包括發(fā)射詢問輻射并對所檢測的反向散射輻射進行采樣，使得對于每個樣本而言，可以從其接收到來自詢問輻射脈沖的反向散射信號的光纖的每個貢獻區(qū)段基本上獨立于所述多個樣本的其余部分中的大多數(shù)的對應貢獻區(qū)段。
[0073]本發(fā)明的方法還可以被應用于先前通過使用分布式光纖傳感器所已經獲取的數(shù)據(jù)的處理，假如針對每個感興趣感測部分獲取了多個樣本，有利地基本上是獨立的樣本。因此，在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種處理從分布式光纖傳感器所獲取的數(shù)據(jù)以確定任何相位調制的方法，包括步驟:在向光纖中發(fā)射詢問輻射之后取得與從所述光纖的感興趣空間感測部分的至少一部分反向散射的輻射相對應的多個樣本；將所述多個樣本劃分成多個處理通道；處理所述多個處理通道中的至少一些以確定用于所述通道的相位數(shù)據(jù)；對所述已處理通道施加質量度量；以及基于施加所述質量度量的結果來將用于所述通道的已確定相位數(shù)據(jù)組合成用于所述感興趣空間感測部分的相位值。
[0074]再次地，上文相對于本發(fā)明的第一方面所述的所有優(yōu)點同樣地適用于本發(fā)明的此方面的方法，并且該方法可以在任何上述實施例中被實現(xiàn)。[0075]—般地,本發(fā)明的一方面提供了一種分布式光纖傳感器，特別是分布式聲學傳感器，其包括被配置成在時間上過采樣以在使用中獲取用于感興趣感測部分的多個樣本的采樣檢測器，和被配置成在單獨分集通道中處理所述樣本并基于來自已處理通道的得到的數(shù)據(jù)的相似性將來自所述通道的結果進行組合的處理器。
[0076]本發(fā)明的一方面還涉及在分布式光纖傳感器中使用包括以大于脈寬的間隙分離的兩個脈沖的詢問輻射以允許獲取多個很大程度上獨立的分集樣本。因此，在另一一般方面，提供了一種分布式光纖傳感器設備，包括被配置成在使用中反復地向光纖中發(fā)射詢問輻射的光源，其中，詢問輻射包括后面是第二脈沖的第一脈沖，其中，第一和第二脈沖之間的時間段大于第一和/或第二脈沖的脈沖持續(xù)時間，并且還包括被配置成在使用中獲取在持續(xù)時間上等于脈沖之間的時間的多個樣本的采樣檢測器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0077]現(xiàn)在將參考以下附圖僅以示例的方式來描述本發(fā)明，在所述附圖中:
圖1圖示出分布式聲學傳感器的一般部件；
圖2圖示出在本發(fā)明的實施例中所使用的詢問脈沖對配置；
圖3圖示出此類脈沖對如何設置傳感器的最大空間分辨率；
圖4圖示出來自光纖內的反向散射信號的起源；
圖5圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的來自一系列脈沖對的發(fā)射的返回物；
圖6圖示出用于傳感器通道的所檢測信號的處理的一個實施例；
圖7圖示出用于產生具有不同偏振狀態(tài)的脈沖對的實施例；
圖8圖示出用于從不同偏振狀態(tài)的脈沖對獨立地檢測反向散射信號的檢測器布置的實施例；
圖9圖示出在本發(fā)明的另一實施例中所使用的脈沖對系列的兩個示例；
圖10圖示出脈沖對中的脈沖之間的90°相對相位變化對在檢測器處接收到的信號的影響；
圖11圖示出用于生成脈沖對的脈沖之間的受控相位調制的調制器布置的實施例；
圖12圖示出在不同偏振狀態(tài)下同時地產生的在脈沖之間具有相位差中的變化的兩個脈沖對；
圖13圖不出用于生成如圖12中所不的同時脈沖對的一個實施例；
圖14圖示出以不同波長發(fā)射的脈沖對的不同系列；
圖15圖示出脈沖對配置的三個示例；
圖16圖示出用以生成空間分集樣本的時間過采樣的原理；
圖17圖示出用于單個脈沖對的示例反向散射強度信號針對采樣時間；
圖18a和18b圖示出空間分集樣本如何能夠避免衰落的問題；
圖19圖示出在一個分析面元中處理分集樣本以生成用于每個通道的相位值；
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示出了針對分析面元的通道所計算的相位值的示例和針對一個通道與其他通道的相似性所確定的得到的質量度量；
圖22示出了針對分析面元的通道所計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圖示出來自諸如圖9a中所示的一系列脈沖對的發(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中所示的所檢測信號的處理的一個實施例。
【具體實施方式】
[0078]相對于圖1來圖示出分布式聲學傳感器的詢問器單元的一般部件。在使用中，詢問器單元100被連接到充當感測光纖的光纖101。使用常規(guī)光纖耦合手段將感測光纖耦合到詢問器的輸出/輸入。該詢問器單元被布置成向感測光纖101中發(fā)射相干光學輻射的脈沖并檢測來自所述脈沖的任何福射，其在光纖內被Rayleigh反向散射。為了生成光學脈沖，詢問器單元100包括至少一個激光器102。激光器的輸出被生成如稍后將描述的脈沖配置的光學調制器所接收。從光學調制器103輸出的脈沖然后例如經由循環(huán)器104被傳輸?shù)礁袦y光纖101中。
[0079]從在感測光纖內傳播的所述光學脈沖反向散射的任何光學輻射再次地例如經由循環(huán)器104而被引導到至少一個光檢測器105。檢測器輸出被模數(shù)轉換器(ADC) 106所采樣，并且來自ADC的樣本被傳遞至處理電路107以用于處理。處理電路107處理檢測器樣本以確定用于多個分析面元中的每一個的相位值，每個分析面元對應于光纖的不同縱向感興趣感測部分。將注意的是，詢問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中為了解釋詢問器的一般功能時的清楚起見而已經省略了此類部件。
[0080]在本發(fā)明的實施例中，激光器102和調制器103被配置成以特定的發(fā)射速率產生至少一個系列的脈沖對。每個脈沖對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)時間dl的第一脈沖201，短時間之后其后面是具有第二頻率F2且具有第二持續(xù)時間d2的第二脈沖202。在一些實施例中，兩個脈沖F1、F2的頻率是相等的，而在其他實施例中，其是不同的，如稍后將解釋的。優(yōu)選地，兩個脈沖dl、d2的持續(xù)時間(和因此的空間寬度)彼此相等，雖然該情況不需要如此。兩個脈沖201、202具有在時間上等于Ts的間隔(如所示的，Ts表示脈沖的前沿之間的時間間隔)。
[0081]當具有此類配置的脈沖對在光纖內傳播時，一些光將從來自光纖內的本征散射部位的每個脈沖被散射。此反向散射光中的至少一些將被引導回到光纖的起始點，在那里其能夠被檢測。在任何時刻，到達檢測器的光可以包括從來自第一范圍的散射部位的第一脈沖所散射的光和從來自第二范圍的散射部位的第二脈沖所散射的光。
[0082]圖3圖示出脈沖對在光纖中的傳播，并示出了沿著光纖的距離針對時間。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，在時間h，第一脈沖的前沿進入光纖，并且在時間h，第一脈沖的后沿進入光纖。t1和t2之間的時間因此對應于第一脈沖的持續(xù)時間，即dl。在時間t2，第二脈沖的前沿進入光纖，并 且在&，第二脈沖的后沿進入光纖。因此，12與t3之間的時間等于第二脈沖持續(xù)時間d2，并且h和12之間的時間等于脈沖間隔時間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n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。[0083]隨著脈沖在光纖中傳播，一些光將被朝著光纖的起始點反向散射。此反向散射光也將以等于c/n的速度行進?？紤]到達檢測器的光。線305表示可能在時刻〖4在光纖的起始點處接收到的光的軌跡。在一定時間和位于線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刻t4在光纖起始點處被接收。因此，能夠看到的是，在第一范圍的時間來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至光纖的起始點，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。 [0084]這意味著,如圖4中所圖示的,在任何時刻,在光纖起始點處接收到的反向散射光對應于來自被第一脈沖照亮的散射部位的第一貢獻區(qū)段401以及來自被第二脈沖照亮的散射部位的第二貢獻區(qū)段402的光纖中的反向散射。散射部位的這些貢獻區(qū)段之間的距離被稱為計量長度U。如所圖示的，可以在散射部位的區(qū)段401和402的中部之間測量計量長度。
[0085]在任何時刻在檢測器處接收到的反向散射信號因此是從來自所有這些散射部位的散射光的組合得到的干涉信號。實際上，在任何時刻的反向散射信號對應于由區(qū)段401和402內的散射部位的位置所定義的來自行進干涉儀的信號。將認識到的是，將全部處于頻率F2下的來自第二位置402的所有散射部位的反向散射能夠被視為進行干涉以產生來自第二散射部位的復合信號，并且同樣地，將全部處于第一頻率Fl下的來自第一區(qū)段401的所有散射部位的反向散射能夠被視為進行干涉以產生來自第一散射部位的復合信號。這兩個復合信號然后也將干涉。
[0086]本發(fā)明的分布式聲學傳感器依賴于這樣的事實，即入射在光纖上的任何聲波可以引起光纖中的擾動，例如應變，其因此能夠對由行進干涉儀所生成的干涉信號進行相位調制。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)段上的任何相位調制Φ (t)將僅影響來自第一區(qū)段401的光。這能夠弓丨起干涉信號的相位中的變化。從光纖的特定區(qū)段檢測干涉信號中的相位變化因此能夠被用作光纖上的聲學引起的應變的指示，并且因此用作在該光纖區(qū)段處入射的聲波的指示。
[0087]本發(fā)明的實施例確保脈沖持續(xù)時間以及檢測器和處理布置是這樣的，使得傳感器帶寬足以檢測即時樣本中的反向散射信號的所有頻率分量。這允許以良好的信噪比和良好的空間分辨率來檢測調相信號。能夠以各種方式來生成此信號的分析版本。
[0088]在一個實施例中，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F2。這將導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。通過監(jiān)視此載波頻率的相位，能夠檢測由于聲學擾動而引起的任何相位調制。
[0089]在本發(fā)明的此實施例中，因此一系列的脈沖對被發(fā)射到光纖中，其中，該系列中的每個脈沖對具有相同的頻率配置，即具有頻率Fl和持續(xù)時間dl的脈沖，在其之后的時間Ts，后面是具有頻率F2和持續(xù)時間d2的脈沖。脈沖對到光纖中的發(fā)射速率(也稱為ping速率)與這些脈沖對的載波頻率有關，使得連續(xù)發(fā)射之間的時間等于載波頻率下的信號演進預定相位量所花費的時間。
[0090]本發(fā)明的本實施例依賴于在脈沖對的連續(xù)發(fā)射之間正保持的感興趣聲學帶寬內的載波。因此，脈沖對被發(fā)射到光纖中且在檢測器處所接收的反向散射信號以間隔被采樣以提供多個通道，每個通道對應于光纖內的散射部位的不同位置。在與載波頻率下的信號改變預定相位量所花費的時間相對應的某個間隔之后，另一脈沖對被發(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樣本。只要希望監(jiān)視光纖，就重復這一點。
[0091]針對每個通道(由脈沖對的發(fā)射之后的某個采樣時間定義)，連續(xù)的檢測器輸出將提供由脈沖對的脈沖之間的頻率差所定義的載波頻率下的調相載波信號。
[0092]返回參考圖1，調制器103因此可以包括用于對由激光器102所生成的光輻射的頻率進行調制的聲光調制器(Α0Μ)。如本領域的技術人員將理解的，AOM可以由驅動頻率(Fd)來驅動，并且在操作中，使輸出光的光學頻率移位了等于驅動頻率的頻率。因此，通過在第一脈沖的持續(xù)時間內以第一驅動頻率且在第二脈沖的持續(xù)時間內以第二不同驅動頻率來驅動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的各驅動頻率之間的頻率差。換言之，能夠通過控制用來驅動AOM的驅動頻率來控制脈沖對的載波頻率。激光器和AOM是相位相干的，并且因此每個脈沖對中的脈沖具有相同的性質，如同其是從運行在相關頻率下的兩個穩(wěn)定源所導出的一樣。
[0093]在一個布置中，載波頻率與發(fā)射速率有關,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只能在連續(xù)發(fā)射之間在相位中改變小于180°。實際上，這意味著用于每個通道的逐發(fā)射采樣率處于準確地在載波頻率下重新創(chuàng)建信號所需的尼奎斯特(Nyquist)極限以上。
[0094]在一個布置中，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在連續(xù)脈沖對的發(fā)射之間在相位中演進90°。
[0095]使用90°的相位變化能夠易于處理，如將描述的，但是也允許調制帶寬的有效使用。如技術人員將認識到的，在頻域中，任何調制都可以加寬處于載波頻率的感興趣信號周圍的頻譜。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。通過確保載波信號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。
[0096]圖5圖示出本發(fā)明的本實施例如何進行操作。圖5圖示出來自具有如上所述的頻率配置的脈沖對的一系列連續(xù)發(fā)射的已采樣的檢測器輸出，其中，該對中的脈沖之間的頻率差等于Ping速率的四分之一，即脈沖對的發(fā)射速率的四分之一。在所示的示例中，Ping速率是20 kHz，其可以是與在長度上約為5km或以下的光纖長度一起使用的典型ping速率，以便確保在任何的一個時間只有一個脈沖對正在光纖內傳播。
[0097]因此，在本示例中，每50s向光纖中發(fā)射脈沖對，并檢測隨著脈沖對傳播經過光纖而由該脈沖對所生成的反向散射返回信號。在脈沖對的每次發(fā)射之后，以相對高的速率對檢測器輸出進行采樣，例如約80—100 MHz,以檢測來自光纖內的多個不同位置的反向散射信號。在此樣本時鐘域中，散射部位的隨機相位變化導致強度上的隨機變化，這破壞了載波頻率，并且可能檢測不到可使用的信號。[0098]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度上的變化。因此，通過比較來自光纖的同一區(qū)段的反向散射干涉信號，可以檢測到載波信號，該光纖的同一區(qū)段來自不同脈沖對。圖5圖示出通過取得在每個脈沖對的發(fā)射之后同時地獲取的適當樣本，可以檢測到處于等于發(fā)射速率的四分之一的頻率下的載波信號。此載波信號將被如上所述影響光纖的相關區(qū)段的任何聲信號進行相位調制，并因此通過隨時間推移而監(jiān)視此載波信號的相位，能夠檢測到入射在光纖的相關區(qū)段上的任何聲信號。
[0099]圖6圖示出可以如何由處理電路107來處理此已調制載波信號以確定用于單個通道的載波信號的相位的一個實施例?？梢詫Ρ硎居糜趥鞲衅鞯囊粋€通道的已調制載波信號的樣本進行高通濾波601來僅使處于相關載波頻率下的信號通過。然后可以將已濾波信號劃分成兩個處理通道，并且可以將每個通道中的信號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，如在復解調方案中已知的。在已知相位差是90°的情況下，這僅包括乘以+1和-1。然后可以對得到的I和Q信號進行低通濾波604和605并通過直角坐標至極坐標(RP)轉換606來將其轉換成相位值。RP轉換還可以可選地生成振幅值?？梢钥蛇x地對所產生的相位值Otl進行高通濾波607。
[0100]因此，使用從一系列脈沖對的連續(xù)發(fā)射針對每個通道獲取的樣本，能夠檢測到調相載波信號并對其進行解調，并且因此能夠檢測到由作用于光纖的相關區(qū)段上的聲信號所引起的任何相位變化。
[0101]將理解的是，由于該系列的脈沖對中的每個脈沖對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，則如果來自兩個不同脈沖對的反向散射信號同時入射在檢測器上，則反向散射信號將在相關載波頻率下與另一個相干涉。因此，可以限制脈沖對的發(fā)射速率，以便確保在任何一個時間在光纖中存在來自僅一個脈沖對的輻射。因此，發(fā)射之間的時間應足以允許來自脈沖對的所有輻射到達光纖的末端，并且從光纖的末端反射或散射的任何輻射在發(fā)射另一脈沖對之前到達檢測器。因此可以由光纖的長度來限制脈沖對的最大發(fā)射速率。具有約5km的長度的光纖可以利用達到約20kHz的發(fā)射速率進行操作(假設約1.48的折射率)。具有約40km的長度的光纖可以要求發(fā)射速率低于
2.5kHz。在使用長得多的光纖長度的情況下，可以存在可以從其檢測到反向散射信號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自每個脈沖對的輻射到達最大范圍的此點并在連續(xù)發(fā)射之間返回到檢測的時間的速率來發(fā)射脈沖。在發(fā)射之后的此時間，雖然仍可能存在來自光纖中的原始脈沖對的一些輻射，但到達檢測器的任何此類散射輻射將是無關緊要的。
[0102]然而，在一個實施例中，能夠通過使用偏振來增加脈沖對的總體發(fā)射速率以在連續(xù)脈沖對之間進行辨別。在本實施例中，在第一偏振狀態(tài)下向光纖中發(fā)射一個脈沖對。下一個脈沖對以第二、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，使得以與來自第二脈沖對的反向散射信號的偏振狀態(tài)正交的偏振狀態(tài)在檢測器處接收來自第一脈沖對的反向散射信號。這樣，能夠通過使用偏振敏感元件來將相關反向散射信號進行分離。
[0103]因此，用于生成詢問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可以從如上所述可以包括AOM的調制器103輸出，并入射在可變起偏器元件702上?？勺兤鹌髟饔糜诿}沖對上以確保包括脈沖對的所有光被偏振至一個偏振狀態(tài)并確保連續(xù)脈沖對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。
[0104]圖8圖示出然后可以被用來在反向散射信號之間進行辨別的檢測器布置的一個實施例。從光纖接收到的反向散射光被引導向偏振兀件801,其在本不例中是偏振相關射束分離器。此射束分離器801將具有一個偏振狀態(tài)的(比方說水平偏振的)光引導到第一檢測器802，并將具有正交偏振狀態(tài)的(垂直偏振的)光引導到不同檢測器803。因此，每個檢測器僅接收單偏振狀態(tài)的光，并且因此僅接收從脈沖對中的一個反向散射的光。因此，能夠如上文所討論地處理來自每個檢測器的信號以獨立于其他脈沖對而從每個脈沖對生成一系列相位值。
[0105]將認識到的是，這種技術依賴于被保持在光纖中的脈沖對之間的輸入偏振差。在常規(guī)光纖中，將針對光纖中的某個范圍保持輸入偏振差。此外，導致光纖中的偏振上的變化的任何因素都可能影響兩個偏振狀態(tài)。因此，該檢測器布置可以包括偏振調制器804以補償在光纖內發(fā)生的任何一般偏振漂移。可以在使用中調整偏振調制器以匹配偏振漂移中的任何變化，例如通過僅利用已知偏振的光來周期性地照亮光纖并檢測兩個檢測器處的響應。替換地，可以在輸出光學布置中包括偏振調制器以向被發(fā)射到光纖中的脈沖施加預先補償。
[0106]作為使用偏振射束分離器和兩個檢測器元件802的替代，可以包括可變起偏器元件，其向單個檢測器(比方說檢測器801)傳輸光，但是其在兩個正交狀態(tài)之間快速地改變偏振。因此，可以將檢測器802布置成比方說在水平偏振下取得一個樣本，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脈沖對的發(fā)射時間來從適當?shù)奶幚碇袑⒚扛粢粋€樣本分離成不同的流。
[0107]在另一實施例中，作為使用不同頻率下的兩個脈沖的替代，脈沖對的脈沖可以處于與另一個相同的頻率。在本實施例中Fl= F2。然而，該脈沖對被如此生成，使得該對中的脈沖之間的相位差在連續(xù)脈沖對之間改變預定量。
[0108]圖9圖示出根據(jù)本發(fā)明的此實施例的可以生成的脈沖對系列的一些示例。示出了每個系列中的四個脈沖對，每個包括處于相同頻率(Fl = F2)下的兩個脈沖。
[0109]系列(I)示出了一系列脈沖對的第一示例。在第一脈沖對中，在該對中的脈沖之間存在△ F的相對相位差。這將是可能由于用來生成脈沖對的光學部件的布置而出現(xiàn)的任意相位差。在一些布置中，第一脈沖對的兩個脈沖可以是同相的，并且因此ΛΡ的值可以是零。
[0110]在下一個脈沖對中，該對中的脈沖之間的相位差被控制為從前一脈沖對的相位差變化預定量，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，第二脈沖對中的脈沖之間的相位差等于Δ F+90。。在第三脈沖對中，該對中的脈沖之間的相位差再次被控制為Λ F，并且在第四脈沖對中，相位差再次是Λ F+90°。這樣，存在90 °的連續(xù)脈沖對之間的相對相位差。
[0111]脈沖對之間的相位差上的此變化將導致來自光纖的給定區(qū)段的反向散射干涉信號中的變化，其能夠被用來確定用于光纖的相關區(qū)段的相位值。返回參考圖4，將回想起在任何時刻在檢測器處接收到的反向散射信號是來自一定范圍的散射部位的組合信號，該一定范圍是來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，考慮來自第一區(qū)段401的單個(第一)散射部位和來自第二區(qū)段402的單個(第二)散射部位。
[0112]從第二散射部位到達檢測器的光的相位將取決于脈沖對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器的有效路徑長度。從第一散射部位到達檢測器的光的相位將取決于脈沖對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器的有效路徑長度。往返于第一散射部位的路徑長度等于往返于第二散射部位的路徑長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度。因此，從第一和第二散射部位所散射的信號之間的相位上的差取決于散射部位之間的路徑長度及第一和第二脈沖的光之間的任何相位差。
[0113]如果第一和第二散射部位由兩個連續(xù)脈沖對以足以使得在連續(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，影響反向散射信號的相位差上的任何變化的唯一因素將是脈沖對的脈沖的相位差上的變化。因此，如果第一脈沖對在該脈沖對中的脈沖之間具有初始相位差Λ F，則這將導致在檢測器處接收到的反向散射信號中的某個相位差(Λ P’)。如果第二脈沖對然后具有相位差Λ F+90°，則這將導致來自第一和第二散射部位的反向散射信號中的ΛΡ’+90°的相位差。
[0114]如技術人員將認識到的，在相同頻率的兩個信號彼此相干涉的情況下，結果是相同頻率的但具有取決于干涉信號之間的相位差(及其初始振幅)的振幅的信號，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和將檢測到的得到的干涉信號。為了簡單起見，用相同的振幅說明來自第一和第二散射部位的返回物，雖然將認識到的是，實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的第一脈沖對來照亮時的反向散射信號。曲線1001圖示出來自第一散射部位的來自反向散射信號的信號以及曲線1002圖示出來自第二散射部位的信號。在這些信號之間存在由上述因素所確定的某個相位差。曲線1003表示得到的干涉信號。
[0115]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來照亮時的反向散射信號。曲線1001再次地示出來自第一散射部位的反向散射信號。曲線1004示出了來自第二散射部位的反向散射信號，以及曲線1005示出了得到的干涉信號。將注意的是，為了易于比較，在兩個曲線圖中在相同的相位位置中示出了曲線1001。當然，在實踐中這可以實際上不發(fā)生，并且可以存在任意相位變化。然而，重要的是來自第一和第二散射部位的反向散射信號之間的相對相位差——僅僅由連續(xù)脈沖對中的脈沖之間的相位改變中的變化所確定。
[0116]第一和第二脈沖對中的脈沖之間的相位差上的變化導致反向散射信號中的相位變化，其導致得到的干涉信號中的總振幅變化，該總振幅變化能夠被用來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，這些干涉信號表示同相(I)和正交(Q)分量，并且信號的低通濾波能夠被用來導出I和Q值，其然后能夠被用來通過常規(guī)直角坐標至極坐標轉換來導出相位值。當然，可以針對連續(xù)脈沖對之間的相位差上的變化和所使用的其他轉換技術而使用其他相位值。[0117]以上分析已經為了易于解釋而集中于來自第一和第二區(qū)段中的每個的來自單個散射部位的散射。然而，本領域的技術人員將理解的是，當一起考慮所有散射部位時，總體效果一般是相同的。
[0118]圖24圖示出本發(fā)明的本實施例如何進行操作。圖24圖示出來自諸如圖9 (a)中所示的脈沖對的一系列連續(xù)發(fā)射的所采樣的檢測器輸出，其中，連續(xù)脈沖對在該對的脈沖之間具有改變90°的相位差。
[0119]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。檢測隨著脈沖對經過光纖傳播而由脈沖對所生成的反向散射返回信號。在脈沖對的每次發(fā)射之后，以相對高的速率(例如約80—100 MHz)對檢測器輸出進行采樣，以檢測來自光纖內的多個不同位置的反向散射信號，并確保針對每個感興趣感測部分獲取多個樣本。
[0120]在光纖中的任何給定位置處，因此逐發(fā)射在相關測量信號中存在90°相位差。因此逐發(fā)射的來自光纖的給定區(qū)段的信號能夠被用來通過使用連續(xù)樣本作為I和Q信號而確定影響光纖的任何相位調制。
[0121]圖25圖不出可以如何由處理電路107來處理反向散射信號以確定相位值的一個實施例。
[0122]接收來自光纖的給定區(qū)段(即給定通道)的反向散射樣本，并由開關2501將交替樣本分別地切換至同相(I)和正交(Q)信號路徑中。在每個信號路徑中，高通濾波器2502可以去除不想要的信號分量，并且然后可以對I和Q信號進行低通濾波2503并通過直角坐標至極坐標(RP)轉換2504來將其轉換成相位值。RP轉換還可以可選地生成振幅值?？梢钥蛇x地對所產生的相位值Otl進行高通濾波2505。
[0123]因此，使用針對來自一系列脈沖對的連續(xù)發(fā)射的每個通道所獲取的樣本，利用連續(xù)脈沖對的脈沖之間的相位差上的引起的變化，能夠恢復測量信號的分析版本并將其用來導出相位值，使得能夠檢測由作用于光纖的相關區(qū)段上的聲信號所引起的任何相位變化。
[0124]返回參考圖9，第一系列的脈沖對在連續(xù)脈沖對之間具有交替相位差。系列(2)示出脈沖對的交替系列的示例，其中，在連續(xù)脈沖對之間施加相同的相對相位變化。
[0125]為了解釋，將參考該系列中的第一脈沖的相位來定義每個脈沖的相對相位。因此，第一脈沖對的第一脈沖將被取為具有0°的相對相位。此第一脈沖對中的第二脈沖將具有與此第一脈沖的任意相位差Ρ1，其由用來生成脈沖的光學器件的布置而引起。在一些布置中，第一脈沖對中的第一和第二脈沖之間的相位差可以是零，即Pl = 0°。
[0126]對于第二脈沖對而言，第一脈沖將具有與第一脈沖對的第一脈沖的另一任意相位差Ρ2，其再次地可以是用來生成脈沖的光學器件的函數(shù)。由于使用相同的一般光學布置來生成每個脈沖對中的脈沖，所以將預期的是，在第二脈沖對的脈沖之間也將存在脈沖之間的相同相位差Pl。
[0127]在不存在任何外部調制(或熱漂移)的情況下，人們因此可以預計每個脈沖對中的第一脈沖在相位方面與前一脈沖對的第一脈沖相差Ρ2的相對相位差，并且人們還將預計等于Pl的一對的脈沖之間的相對相位差。
[0128]然而，本實施例故意地引入每個脈沖對中的脈沖之間的相位差，其在連續(xù)脈沖對之間變化。在所示的示例中，引入的相位差是90°的正相位差。第一脈沖對是以脈沖之間的固有相位差(即Pl)而產生的。然而，對于第二脈沖對而言，存在施加于第二脈沖以引入附加的90°相位變化的相位調制。因此，第二脈沖對的脈沖之間的相位差等于Pl + 90°。對于第三脈沖對而言，施加于第二脈沖的相位調制被增加另外的90 °。因此，第二脈沖對的脈沖之間的相位差等于Pl + 180°。對于第四脈沖對而言，相位調制被進一步增加90°，使得第四脈沖對的脈沖之間的相位差等于Pl + 270°。對于未示出的第五脈沖對而言，可以將相位調制重置為O°。
[0129]因此，在每個連續(xù)脈沖對之間，該對的脈沖之間的相位差改變90°。
[0130]將認識到的是，圖9圖示出施加相位調制以對每個脈沖對中的第二脈沖的相位進行調制，但是可以替代地向每個脈沖對中的第一脈沖施加相位差，或者可以對一對中的兩個脈沖進行相位調制以提供所需相位差。
[0131]可以按照多種方式來生成脈沖之間的相位變化。例如，返回參考圖1，調制器103可以包括諸如普克爾斯盒(pockels cell)或液晶電光調制器的電光調制器(EOM)以向脈沖中的至少一個施加受控相位變化。調制器103因此還可以包括用于形成脈沖的強度調制器。作為示例，對于一個脈沖對而言，可以控制EOM以不向脈沖對施加相位變化，該脈沖對因此將以由于發(fā)生光學器件的固有相位差而引起的脈沖之間的任何相位差進行傳輸。對于后續(xù)脈沖對而言，EOM可以向脈沖中的一個或兩個脈沖施加相位差，以生成所需相位差。
[0132]圖11示出了調制器103的替換示例。進入光被劃分成兩個通道1101和1102以便分別地生成第一和第二脈沖。通道101中的光被強度調制器1103調制以形成第一脈沖。通道1102中的光入射在EOM 1104上，該EOM 1104施加所需相位調制(其逐脈沖對而變化)。然后由強度調制器1105對調相的光進行強度調制?？刂茝姸日{制器1103和1104的定時，以便提供脈沖的所需持續(xù)時間以及脈沖之間的所需時間間隔。另外或替換地，通道1102中的延遲1106可以提供所需時間間隔中的至少一些(雖然在一些實施例中優(yōu)選的是脈沖的時間間隔是變量，并且固定延遲的使用可能是不適當?shù)?。然后將具有所需相位差的兩個脈沖組合到輸出線以用于傳輸。
[0133]由于連續(xù)脈沖對具有與彼此相同的頻率，所以可以將脈沖對的發(fā)射速率如此布置，使得每次用于僅一個脈沖對的輻射能夠到達檢測器。再次地，如上述實施例一樣，還可以在連續(xù)脈沖對之間使用偏振辨別以允許更快的更新速率。
[0134]在另一實施例中，可以與第二系列的脈沖對同時地或接近同時地向光纖中發(fā)射在對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，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)來向光纖中發(fā)射第一系列的脈沖對，其在連續(xù)脈沖對中的脈沖之間具有變化的相位差。同時或者接近同時，可以以垂直線性偏振狀態(tài)向光纖中發(fā)射在連續(xù)脈沖對之間具有相位變化的第二系列的脈沖對。兩個脈沖對因此將一起沿光纖向下傳播，并且將同時從光纖的相同區(qū)段生成反向散射信號。這些反向散射信號能夠被獨立地傳遞至不同的檢測器，例如使用如圖8中所示的檢測器布置，以允許來自光纖的給定區(qū)段的同時或接近同時的測量。隨著反向散射信號展示出偏振相關性，此類同時或接近同時詢問可以幫助避免衰落的問題，因為來自兩個系列的信號可能不會同時地衰落。
[0135]可以按照多種不同的方式來產生具有不同偏振狀態(tài)的兩個脈沖對。例如，圖13示出了其中通過使射束分離器1301偏振成到兩個不同通道中的水平和線性偏振分量來分離從強度調制器1103輸出的脈沖對。兩個通道都入射在EOM 1302上，該EOM 1302向脈沖中的至少一個施加適當?shù)南辔蛔兓栽谶B續(xù)脈沖對中引入相對相位差，并且然后將兩個通道重新組合，使得脈沖在時間上是一致的，以便發(fā)射到光纖中。然而當兩個脈沖是一致的時，兩個脈沖的總光學功率應在用于光纖的非線性閾值以下，并且因此為了增加每個脈沖中可用的功率，可以使實際脈沖略微交錯，如圖12中所圖示的。
[0136]還可以使用波分復用技術來允許一個以上脈沖對同時處于光纖中，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。
[0137]將認識到的是，上述技術依賴于通過相對于載波頻率的發(fā)射的定時或脈沖對中的脈沖之間的相對相位差的直接控制，將具有與彼此相同的頻率配置的兩個不同脈沖對以脈沖對之間的預定相位關系傳輸?shù)焦饫w中。因此，根據(jù)本發(fā)明的實施例的一系列脈沖對應當具有相同的頻率配置。然而，可以使用波分技術來同時向光纖中發(fā)射其他系列的詢問脈沖。
[0138]圖14圖示出在不同時間且以不同波長發(fā)射的一系列脈沖。因此，可以以第一波長λ I來發(fā)射第一系列的脈沖對，在每個脈沖對之間具有周期!\。還可以以不同的波長λ 2向光纖中發(fā)射第二系列的脈沖對，在此第二系列中的每個脈沖對之間具有周期T2，并且還可以再次以不同的波長λ 3向光纖中發(fā)射第三系列的脈沖對，在每個脈沖對之間具有周期Τ3。每個系列中的脈沖的發(fā)射之間的時間不需要是相同的，即T1可以不同于T2和T3中的至少一個，但是在一些實施例中，脈沖對中的至少一些的發(fā)射速率是相同的(即!\可以等于1~2和/或T3),使得相關系列中的脈沖對保持某種時間關系。
[0139]在此類應用中，脈沖對的相對發(fā)射時間可以被如此布置，使得在第一系列的脈沖對和第二系列的脈沖對之間存在定義時間T4,以及在第二系列的脈沖對與第三系列的脈沖對之間存在定義時間T5?？梢砸?guī)則地布置發(fā)射之間的時間，使得在本示例中T4 = T5 = 1/3。如果每個系列的每個脈沖對允許來自光纖的相同區(qū)段的測量，則此布置與使用單個脈沖對相比有效地將來自光纖的每個區(qū)段的更新速率增加到三倍。這在監(jiān)視光纖的相對長的長度時可能是特別有利的，其中，用于單個脈沖對系列的發(fā)射速率對于感興趣聲學事件而言將提供過慢的更新速率。
[0140]然而，在另一實施例中，每個系列的脈沖對中的脈沖的定時可以不規(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)脈沖之間的時間。通過使每個系列中的脈沖對的定時不規(guī)則地間隔開，用于光纖的每個感測部分的更新之間的時間也改變。某個更新速率可以允許相比其他更新速率的對一些事件的更好檢測。例如，如果某個聲學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，每當光纖的相關感測部分被采樣時，檢測到可以導致聲信號被錯過的相同返回物。然而，如果在樣本的至少一個中以不規(guī)則間隔對光纖的相關區(qū)段進行采樣，則由于聲信號而引起的變化將是可檢測的。因此，不規(guī)則間距的使用可以輔助事件的檢測。此外，以此類不規(guī)則間隔獲取的測量信號的處理可能能夠提供比通過使用脈沖對的三個規(guī)則間隔系列可實現(xiàn)的采樣率更高的合成采樣率。
[0141]這些系列的脈沖對中的一個或多個可以由包括處于相互不同的頻率的脈沖的脈沖對組成，具有的載波頻率如在以上實施例中那樣與發(fā)射速率有關，在該情況下，對用于脈沖對的波長的參考可以指的是基本波長。
[0142]例如，考慮第一系列的脈沖對。激光器可以產生波長λ I (例如1550nm)的光，其對應于ω? (約193.4ΤΗΖ)的基本頻率，其然后被AOM調制以分別地提供頻率ω 1+f I和ω l+f2的兩個脈沖(Π和f2是用于針對每個脈沖的AO的相關驅動頻率)。AOM的驅動頻率被如此布置，使得Ifl - f2 (即載波頻率)與發(fā)射速率(1/?\)有關，以逐發(fā)射提供載波信號中的所需相位差，即對于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。
[0143]第二系列(和/或第三系列)還可以包括根據(jù)本實施例的脈沖對，即具有在其之間具有與發(fā)射速率有關的頻率差的脈沖。在用于相關系列的發(fā)射速率相同的情況下，這可能意味著用于每個系列的脈沖對的載波頻率是相同的——但是脈沖的基本頻率是不同的。例如，對于系列二而言，基本波長λ 2 (例如1530nm)將對應于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動頻率下操作的AOM所調制，以分別提供頻率ω2+ fl和ω1+?2的兩個脈沖。用于系列二的載波頻率因此也將是I f1- f2 |。當然，如果不同的發(fā)射速率被用于不同的系列，則用于每個系列的載波頻率也可以相應地改變。
[0144]將注意的是，即使將該系列脈沖對中的脈沖從基本頻率調制到不同頻率，此調制與在波分復用方案中所采用的頻率間隔相比也是相對小的(例如，上文所討論的波長1550nm和1530nm分別導致193.4THz和195.9THz的基本頻率)。因此，可以使用甚至通常在DWDM(密集波分復用)方案中所使用的不同波長作為用于不同系列的脈沖對的基本波長，并且仍允許來自每個系列的脈沖對的反向散射信號的分離。
[0145]該系列的脈沖對中的至少一個還可以包括相同頻率的脈沖，但是在每個脈沖之間具有相位差上的變化，如上文相對于圖9所討論的。另外或替換地，至少一個系列的脈沖對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脈沖對的一系列同時發(fā)射，即如圖12中所示的脈沖對的一系列發(fā)射。
[0146]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，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脈沖以與一系列脈沖對不同的波長發(fā)射到光纖中。
[0147]如所述的，多個系列的脈沖對的使用可以被用來提供比單獨地使用單個脈沖對將可能的更快的更新速率。然而，另外，多個脈沖對的使用可以被用來提供不同空間分辨率和/或靈敏度下的感測。
[0148]返回參考圖3和4，將回想起的是，當使用包括在時間上不同的第一和第二脈沖的脈沖對來詢問光纖時，在任何時刻在檢測器處接收到的反向散射信號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)段中的每一個在寬度上等于相關脈寬的一半，并且被稱為計量長度的區(qū)段(的前沿)的間隔等于詢問脈沖的時間間隔的一半。
[0149]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變因此將導致相位上的可檢測變化。還將認識到的是，在光纖的第一或第二區(qū)段401和402中的任一個內發(fā)生的路徑長度上的變化將導致來自散射部位中的至少一些的反向散射信號的相位的變化。因此，在第一和第二區(qū)段401和402的區(qū)域內發(fā)生的任何聲學引起的相位變化可以是可檢測的(具有變化的靈敏程度)。因此，分布式聲學傳感器的最大可實現(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。
[0150]然而，脈沖結構的配置還影響系統(tǒng)性能的其他方面。例如，脈沖的相對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)視的感測光纖的有效長度。[0151]對于基于Rayleigh反向散射的分布式聲學傳感器而言,期望的是避免光纖內的非線性光學效應。這通常意味著對于特定長度的光纖而言，存在最大功率閾值，或者換言之，存在對脈沖的輻射強度的限制。在任何時間接收到的反向散射的量與脈沖的強度有關，并且還與脈沖的寬度有關。簡單地說，脈沖內的光子越多，反向散射的量越大，并且如果強度被設定上限(capped)，則增加光子數(shù)目的唯一方式是增加脈沖長度。因此，使用較寬的脈沖，即較長持續(xù)時間的脈沖，能夠改善用于光纖的任何給定區(qū)段的信噪比。
[0152]然而，使用較寬的脈沖可能導致光纖的相關區(qū)段的相位中心被不那么良好地定義。
[0153]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示例。圖15示出了將對到達檢測器處的即時信號有貢獻的光纖內的散射部位。在每種情況下，第一脈沖的開始和第二脈沖的結束之間的時間差是相同的。因此，在光纖內，將可以對在任何時刻的散射有貢獻的光纖區(qū)段的外邊緣分開相同距離進行定位。隨著反向散射的強度根據(jù)脈沖寬度的標度而改變，圖15還圖示出(點線)沿著光纖的空間長度方面的理想化最大強度變化。
[0154]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間上分離且與脈沖之間的間隙相比該脈沖相對較寬的示例(這導致在任何時刻對散射信號有貢獻的光纖區(qū)段1502、1504的相似配置)。圖15c示出了其中脈沖在時間上分離且與脈沖之間的間隙相比該脈沖的寬度相對較窄并因此光纖區(qū)段1505和1506 (可以從其同時地接收分別來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較窄的示例。
[0155]圖15a中所示的示例將提供這些脈沖配置中的任何一個的最佳信噪比。然而，相對于圖15所圖示的配置將具有可變相位中心。
[0156]將認識到的是散射可以在被第一脈沖照亮時從區(qū)段1501內的任何散射部位發(fā)生，并且同樣地，散射可以從區(qū)段1502內的任何散射部位發(fā)生。由于散射部位的分布在光纖內是實際上隨機的，所以完全可能的是，在光纖的一個區(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)生的路徑長度變化。在此擾動之前發(fā)生的來自區(qū)段1501內的任何散射明顯將不經歷路徑長度變化，并且因此將不會導致干涉信號中的可檢測相位變化。在路徑長度變化之后發(fā)生的來自該區(qū)段1501的任何散射明顯具有可以導致干涉信號中的可檢測相位變化的相對相位差。如果散射部位遍及區(qū)段1501均勻地分布，則來自區(qū)段1501的散射的約一半將具有相關相位變化。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的位置之前發(fā)生，則來自區(qū)段1501的大多數(shù)散射可能不會展示出相關相位變化，并且對此類擾動的靈敏度因此是相對低的。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。
[0157]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一步減小的SNR，但是具有甚至更好定義的相位中心。
[0158]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于獲取多個分集樣本的機會，這能夠減少衰落的問題。
[0159]返回參考圖4，將回想起在任何時刻在檢測器處接收到的信號是來自光纖區(qū)段401和來自光纖區(qū)段402的所有散射光的干涉的結果。如先前所述，人們實際上能夠考慮所有來自區(qū)段401的散射，其進行干涉以提供處于頻率Fl的復合信號，以及所有來自區(qū)段402的散射，其進行干涉以提供處于頻率F2的復合信號。將認識到的是，由于散射部位被實際上隨機地分布，所以存在的有限可能性在于，在光纖中的任何位置處來自區(qū)段401或區(qū)段402的散射相消地進行干涉，使得不產生或僅產生非常低強度的復合信號。在這種情況下，將不存在與來自其他區(qū)段的復合信號的可感知的干涉，并且將不可能確定光纖中的該位置處的任何相位變化——信號已衰落。
[0160]本發(fā)明的實施例通過使用一種包括在時間上分離的脈沖的脈沖配置而克服了衰落的問題，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，即通過使用參考圖15b和15c所說明的類型的脈沖對。
[0161]考慮由此類脈沖對所生成的反向散射信號如何隨著脈沖傳播經過光纖而改變。圖16不出在第一米樣時間T1,在檢測器處接收到的信號是由于來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。在第二采樣時間T2,檢測器處的信號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之間的采樣時間等于或大于單獨脈沖的持續(xù)時間的一半，則由第一脈沖在不同的采樣時間照亮的光纖區(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。由于來自光纖的這些不同區(qū)段的散射是非相關的，所以由脈沖形成的干涉儀的有效偏置位置也是非相關的。反向散射信號強度(來自穿過光纖的單個脈沖對)因此將在脈沖長度的約一半的時間長度內改變，即約為光纖內的散射部位的區(qū)段的寬度。圖17圖示出反向散射強度圖案和強度因此可以如何在兩個采樣時間T1和T2之間改變。因此，能夠將在不同采樣時間處獲取的樣本視為分集樣本。
[0162]實際上，在每個不同的采樣時間，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強度針對相位偏置位置的說明性曲線1801——當散射部位限定具有零相位偏置的干涉儀時，即反向散射信號同相時，強度處于最大值，并且當相位偏置位置為±180°時，即信號為異相時，強度處于最小值。
[0163]圖18a圖不出在第一米樣時間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相位偏置位置。圖18b圖示出在第二采樣時間T2的相位偏置位置1804。
[0164]忽視熱漂移片刻，對于脈沖對的每次連續(xù)發(fā)射而言，在相同采樣時間(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制的情況下，在來自連續(xù)發(fā)射的每個通道中將檢測到相同的一般強度的反向散射信號。然而，任何聲學引起的相位調制1803將改變輸出信號的相位偏置位置，并且將導致能夠檢測到的通道中的輸出強度上的變化。圖18a中所示的示例示出了導致將可容易檢測的強度調制的相位偏置位置。然而，對于圖18b中所示的示例而言，該通道對應于導致低強度信號的相位偏置位置。圖18還圖示出傳感器的噪聲基底。技術人員將認識到將存在由各種參數(shù)所定義的某個噪聲基底，其設定能夠被可靠地檢測的信號下限。能夠看出的是，從在采樣時間T2獲取的通道樣本所生成的輸出信號將主要被本地噪聲所掩蔽。
[0165]隨著時間推移，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)視的聲學擾動的時間標度上是緩慢的，并且因此能夠清楚地檢測到聲學擾動。然而，熱變化可以導致單獨通道的SNR隨時間推移的變化。
[0166]返回參考圖16，因此能夠看到的是，通過使用在脈沖之間具有約為脈沖持續(xù)時間或更長的間隙的脈沖對配置，能夠設置樣本之間的時間，使得每個連續(xù)樣本與基本上獨立的一組散射部位有關，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引起光纖的相關區(qū)段中的路徑長度變化的任何聲信號。因此，如果在每個脈沖對的發(fā)射之后在一個采樣時間T1 (即對應于第一通道)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，則來自另一采樣時間T2(第二通道)的分集樣本可以具有更好的SNR且可以被用來確定影響該光纖區(qū)段的聲信號。
[0167]如圖16中所圖示，與脈沖之間的間隙相比具有相對窄的脈沖的脈沖配置可以允許獲取多個不同的分集樣本，每個對應于基本上獨立的散射部位，并且所有這些限定了部分重疊的光纖部分。因此，可以獲取多個分集樣本，其對應于光纖的多個重疊空間感測部分。
[0168]檢測器的采樣率因此被設置在這樣的速率下，使得在脈沖在光纖中傳播了等于計量長度的距離所花費的時間中獲取多個樣本。這與從等于計量長度的光纖區(qū)段獲取單個樣本相比能夠減少衰落的問題，因為明顯地，所有樣本位置都已經衰落的可能性低于單獨樣本位置已經衰落的可能性。因此，通過在計量長度內取得多個分集樣本，改善了傳感器的SNR。
[0169]然而，將注意的是，此類時間過采樣并未增加分布式聲學傳感器的可實現(xiàn)最大空間分辨率，其如上所述由脈沖對寬度和間隔所定義。
[0170]可以在各種分析面元中分析多個連續(xù)分集樣本，每個分析面元對應于光纖的某個定義的感測部分以提供用于每個分析面元的單個測量結果。換言之，考慮脈沖對配置是這樣的，使得計量長度為例如10m。這對應于約IOOns的脈沖間隔。分析面元因此可以對應于光纖的鄰接IOm區(qū)段。采樣率可以是這樣的，使得例如在對于到達檢測器的反向散射輻射對應于光纖的不同IOm區(qū)段所花費的時間中，即用于脈沖在光纖內移動IOm所花費的時間的兩倍(以允許有時間使脈沖向光纖中移動IOm且光返回該額外的IOm距離)，獲取例如10個左右的分集樣本。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。
[0171]在本示例中，每個分析面元因此可以包括十個通道，每個連續(xù)通道接收在脈沖對的發(fā)射之后獲取的連續(xù)分集樣本。每個通道因此對應于光纖的IOm區(qū)段，其中相關IOm區(qū)段在每個通道之間移位lm，并且每個通道將以脈沖對的發(fā)射速率被更新。因此可以將相關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應的光纖長度的中部。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。將顯而易見的是以這樣的方式將通道分組成面元確實意味著影響與一個分析面元相對應的光纖區(qū)段的任何調制也將在相鄰的分析面元中具有影響。這確實對空間分辨率具有影響，但是分集處理方案的優(yōu)點補償了空間分辨率上的此類下降。
[0172]可以以許多不同的方式來執(zhí)行用以產生用于分析面元的單個測量值的分析。[0173]例如，處理可以涉及對來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確定用于分析面元的相位值。
[0174]然而，在本發(fā)明的實施例中，使用質量度量來評定各個通道中的分集樣本，并且在將來自各種通道的樣本進行組合時使用評定的結果。
[0175]在本發(fā)明的實施例中，對每個通道中的分集樣本進行處理以確定用于該通道的相位值，使用質量度量來評定用于每個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。
[0176]在本實施例中，因此可以單獨地處理每個通道以確定用于該通道的相位值?？梢允褂脴藴式庹{技術為每個通道確定相位值。例如，當使用根據(jù)上文相對于圖5所述的實施例的脈沖對時，可以對每個通道應用解調方法，如相對于圖6所述的。當使用根據(jù)參考圖9或12所述的實施例的脈沖對時，所檢測信號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直角坐標至極坐標轉換而被轉換成相位值，或者能夠以其他方式被轉換成I和Q分量。 [0177]此類處理的結果是用于每個通道的相位值，以及可選地是振幅值。
[0178]用于每個通道的AC與DC比值可以被用作用于相關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來將用于通道的相位值進行組合。相對高的比值可以指示相對高的SNR，而低值可以表示低SNR。因此可以丟棄來自具有在閾值以下的AC與DC比值的通道的導出相位值。另外或替換地，可以在形成組合值時對相位值給定加權，其中該加權至少部分地基于AC與DC比值。
[0179]在一個實施例中，可以基于來自每個通道的信號的自相似程度而根據(jù)質量度量來分析針對通道導出的相位值。對于大多數(shù)應用而言，能夠進行的假設是，在從光纖的重疊感測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擾動將導致每個通道中的基本上相同的相位調制。因此，可以將用于所有通道的所有已處理相位值進行相互比較以確定來自每個通道的結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為正在測量相同的刺激，而顯著不同于其他通道的通道可能實際上被噪聲主導。
[0180]因此可以向針對每個通道確定的相位值施加質量度量，以便確定與其他通道的自相似程度。然后可以基于此質量度量將相位值與施加于每個相位值的適當加權進行組合。換言之，在組合中可以對相互非常相似的相位值給定相對高的加權，而在組合中對相互較不相似的相位值給定相對低的加權。以這種方式，組合對良好質量樣本給定較多的權重，并對不良質量樣本給定較少的權重，并且因此與常規(guī)組合技術相比改善了信噪比。
[0181]可以通過將針對一個通道確定的相位值與針對其他通道確定的相位值相比較來確定一個樣本與其他樣本的自相似程度。優(yōu)選地，使用相對簡單且直接的相關來使處理開銷最小化。
[0182]在一個實施例中，使用第一度量Ml來確定正被比較的通道中的信號變化的相似性。從通道A和B施加于信號A和B的度量Ml可以具有以下形式:
Ml (A, B) = (A - <Α?.(B -〈B?公式(I)。
[0183]此度量可以對具有大DC分量的信號給定大的結果。
[0184]因此，有利地，可以使用第二度量M2來確定兩個信號之間的差的量值的測量結果。度量M2可以具有以下形式:M2 (A, B) = ((A - <A>) -(B- <B?)2公式(2)。
[0185]可以針對分析面元內的通道的每個組合計算這兩個度量，并將其用來確定相互最相似的通道?？梢杂上率絹碛嬎銌蝹€總度量Mq:
Mq (A, B) = Ml (A, B) - M2 (A, B)公式(3)。
[0186]然后可以使用所計算的質量度量Mq的值來確定最為自相似的那些通道。
[0187]圖19示出了可以如何針對分析面元中的各種通道確定相關相位值的一個實施例。
[0188]可以接收用于分析面元中的η個通道中的每一個的I和Q分量，并對其進行低通濾波1901以導出I和Q值。然后可以通過直角坐標至極坐標轉換1902來將這些I和Q值轉換成相位值Φ和振幅值Α?？梢栽诤罄m(xù)處理1903中使用來自每個通道的相位值Φ和振幅值A來確定自相似性。用于每個通道的相位值Φ被傳遞至濾波器1904以執(zhí)行時間平均并產生平均相位值<Φ>。然后可以處理用于每個通道的相位值Φ和平均相位值<Φ>以確定上文所討論的度量。一旦已經識別了自相似的通道，就可以將來自相關通道的相位值進行組合。然而，由于度量處理花費了一些時間，所以還可以將用于每個通道的相位值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。在一個實施例中，組合涉及將當前和平均相位值之間的差進行組合，并且因此還可以對已延遲的相位值中(1進行濾波1904以產生也可以在組合中被使用的平均值。請注意，同一濾波器塊1904被示為作用于相位值和已延遲的相位值，以提供相關平均值。然而，將認識到的是，在實踐中可以應用單獨的濾波器。
[0189]在一個實施例中，后續(xù)處理確定用于通道的每個組合的度量，并選擇最自相似的預定數(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可用的η個通道中選擇m個最自相似的通道的步驟`。例如，如果在分析面元內存在10個通道，即η= 10，則可以選擇來自通道的五個最自相似結果(m = 5)以進行組合。
[0190]被選擇來形成組合相位結果的通道的數(shù)目可以是對于每個分析面元而言都相同的，并且可以是隨時間推移而恒定的。這可以易于稍后處理中的一些，因為每個組合相位值由相同數(shù)目的單獨樣本形成。其還將確保用于傳感器的恒定的噪聲基底。然而，在一個實施例中，在組合中所使用的通道的數(shù)目是由詢問器單元的用戶可配置的。
[0191]圖20圖示出用以選擇M個最自相似通道的基于度量的處理的一個實施方式。針對每個通道接收相位值Φ和平均相位值<Φ>。針對每個通道，確定度量M0以用于與每個其他通道的組合，以形成度量分數(shù)的矩陣2001。由于只有度量的量值是重要的，所以只需計算用于通道的每個組合的度量一次，即度量M0(Α，B)的量值將與用于Mq(B，Α)的量值相同。
[0192]這針對每個通道實際上導致了用于其他通道中的每個的一系列分數(shù)。在此階段，可以識別用于通道的預定數(shù)目X的最高度量分數(shù)?？梢岳缭谥狈綀D型布置中對用于那些最高度量分數(shù)的對應通道進行識別和計數(shù)。因此，對于比方說通道I而言，如果最高X個度量包括來自與通道2、5和6的組合的度量，則用于通道2、5和6的直方圖計數(shù)將被增加一。此過程能夠針對所有通道而重復。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數(shù)的M個通道以用于組合。
[0193]針對每個所選通道，在組合中使用已延遲相位值Od，使得被組合的數(shù)據(jù)是從其計算度量的相同數(shù)據(jù)。在一個實施例中，對于所選通道中的每一個而言，該組合是總和: Σ_%-⑷)公式⑷
其中，Wi是用于第i通道的可選加權。例如，加權Wi可以基于直方圖計數(shù)。
[0194]圖21至23示出了來自從利用圖2中所示形式的脈沖對所詢問的分布式聲學傳感器所獲取的多個分集樣本通道的一些已處理數(shù)據(jù)。在80MHz下對檢測器進行采樣以提供
1.25m間距的分集通道，并利用脈沖調制來刺激光纖。在分析面元中將八個連續(xù)分集通道分
組在一起。
[0195]圖21的上部曲線圖示出了隨時間推移來自每個通道的解調相位數(shù)據(jù)。從原始相位數(shù)據(jù)能夠看出，若干個通道示出了約3弧度振幅的脈沖相位調制，但是其他通道示出了具有較低振幅的遠不那么清楚的信號。圖21的下部曲線圖針對一個通道示出了用于該通道與每個其他通道的所計算的相似性度量Mq。能夠看出，對于所選通道而言，存在用于若干個通道的相對高的度量分數(shù)，但是用于其他通道的度量(在這種情況下其為屬于有噪聲通道的那些通道)是低的。
[0196]圖22再次示出了針對八個分集通道中的每一個導出的相位數(shù)據(jù)。圖23示出了根據(jù)上述方法的處理之后的輸出，即得到的輸出相位波形。能夠看出，輸出波形是與大多數(shù)通道的波形匹配的干凈波形。因此，結果是用于分析面元的組合相位值，具有良好的信噪比性質和減少很多的衰落變化。
[0197]如上所述，選擇要組合的預定數(shù)目的通道意味著用于每個分析面元的噪聲特性一般可以是相同的，并且隨時間推移可以保持恒定。然而，其他布置是可能的一例如可以向每個通道的相位值施加質量度量以確定與其他通道的自相似程度，并且可以將相互充分相似的所有相位值組合。例如，可以將通道分組成多個集合，其中，用于該集合中的每個通道組合的度量在某個閾值以上。然后可以選擇最大的此類集合以用于組合。
[0198]因此，如果在任何時間十個通道之中的8個相互相似，例如分數(shù)足夠高，則可以將這8個相似通道進行組合，但是對于另一分析面元而言(或者對于在不同時間的同一分析面元而言，其中熱波動可能已變更通道性質)，如果只有4個通道相互相似，則可以僅將那四個通道進行組合。
[0199]改變在組合中所使用的通道的數(shù)目將影響系統(tǒng)的噪聲性質，但是這可以由適當?shù)男蕘硖幚怼Ｌ幚黼娐愤€可以提供在執(zhí)行組合時所使用的分析面元的通道的數(shù)目的指示。
[0200]還將認識到的是，分析面元的相位中心可以根據(jù)實際上被選用于組合的通道而變化。例如，如果在十個通道的分析面元中選擇五個通道以用于組合，則如果前五個通道是所選的通道，則得到的組合樣本的相位中心將向分析面元的一側傾斜。因此還可以將處理電路布置成提供在組合和/或相位中心的估計中所使用的相關通道或至少通道的擴展的指
/Jn ο
[0201]上文所討論的度量尋找分析面元中的通道的解調相位值的自相似性。這依賴于的假設是，各種通道中的每一個正在經歷相同的一般刺激。這在大多數(shù)情況下是合理的假設，但是其對于一些精密應用或者在可以預期具有高波數(shù)的入射波的情況下可能是不夠的。在這種情況下，可能期望在評定之前向每個通道的相位值施加一些時間調整以將聲學刺激的到達方向考慮在內，即應用一些波束成形類型的技術。[0202]上述實施例使用了脈沖對，其中不同脈沖對具有不同的相位編碼以便甚至在傳感器的基帶內恢復可使用的調相信號。這避免了對甚高載波頻率的需要和對非?？焖俚牟考暮罄m(xù)需要。
[0203]雖然上述實施例描述了處理每個通道以確定用于解調測量信號的相位以及可能振幅值，但還可以使用反向散射信號本身(即處理之前)的實際振幅作為基本度量?？梢噪S時間推移而確定此平均強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，平均強度取決于適用于該通道的相關相位偏置位置?？梢詠G棄具有在某個閾值以下的SNR (即具有在某個閾值以下的平均強度)的樣本，以避免處理那些樣本的需要，因此節(jié)省了處理開銷。
【權利要求】
1.一種分布式光纖傳感器設備，包括: 光源，被配置成在使用中向光纖中發(fā)射詢問輻射； 采樣檢測器，被配置成在使用中對從所述光纖內反向散射的詢問輻射進行采樣；以及 處理器，被配置成確定用于所述光纖的至少一個空間感測部分的任何相位調制； 其中，所述處理器被配置成: 在每次發(fā)射之后取得與從感興趣空間感測部分的至少一部分反向散射的輻射相對應的多個樣本； 將所述多個樣本劃分成多個處理通道； 處理所述多個處理通道中的至少一些，以確定用于所述通道的至少相位數(shù)據(jù)； 向來自所述處理通道的所述數(shù)據(jù)施加質量度量；以及 基于施加所述質量度量的結果來將用于所述通道的已確定相位數(shù)據(jù)組合成用于所述感興趣空間感測部分的總相位值。
2.如權利要求1中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述質量度量包括關于用于給定通道的相位數(shù)據(jù)與來自其他已處理通道的相位數(shù)據(jù)之間的相似程度的確定。
3.如權利要求2中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成分析來自所述通道的相位數(shù)據(jù)，以確定來自一個通道的結果是否相似于來自其他通道的結果O
4.如權利要求3中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成基于來自一個通道的相位數(shù)據(jù)如`何相似于來自另一通道的相位數(shù)據(jù)來確定分數(shù)。
5.如權利要求2至4中的任一項中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成使來自一個通道的相位數(shù)據(jù)與來自其他通道的相位數(shù)據(jù)相關。
6.如權利要求2至5中的任一項中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成通過針對每個通道確定當前相位值與用于該通道的平均相位值的變化程度來確定來自兩個通道的相位數(shù)據(jù)之間的相似程度。
7.如權利要求6中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成針對兩個通道的每個組合來確定具有以下形式的第一度量:
Ml (A, B) = (A - <Α?.(B -〈B?, 其中，A和B是來自所述通道的當前數(shù)據(jù)值，以及<Α>和〈B〉是來自所述通道的數(shù)據(jù)的平均值。
8.如權利要求7中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成通過針對兩個通道的每個組合確定具有以下形式的第二度量來確定兩個通道中的相位數(shù)據(jù)之間的差的量值的測量結果: M2 (Α, B) = ((A- <Α? - (B -〈B〉))2。
9.如權利要求8中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成通過確定所述第一和第二度量之間的差來確定用于兩個通道的每個組合的總質量度量。
10.如任一前述權利要求中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成基于所述質量度量來施加被施加于來自每個處理通道的相位數(shù)據(jù)的加權，并根據(jù)所述加權來將來自所述通道的相位數(shù)據(jù)進行組合，以提供所述總相位值。
11.如權利要求10中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被如此配置，使得相互非常相似的來自通道的相位數(shù)據(jù)被給定比相互較不相似的已處理相位值相對更高的加權。
12.如任一前述權利要求中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被如此配置，以便使用僅來自所述處理通道的子集的已處理相位數(shù)據(jù)來形成所述總相位值，其中，該子集包括對于其而言所述質量度量指示高質量的那些通道。
13.如權利要求12中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，通道的所述子集包括預定數(shù)目的通道。
14.如權利要求13中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述預定數(shù)目的通道由所述設備的用戶可配置。
15.如權利要求12中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，包括所述子集的通道的數(shù)目是基于所述通道的相位數(shù)據(jù)可變的。
16.如權利要求15中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成基于所述質量度量來確定用于來自每個通道的相位數(shù)據(jù)的分數(shù)，并在組合中使用具有在閾值以上的分數(shù)的任何相位數(shù)據(jù)來產生所述總相位值。
17.如權利要求15或16中的任一項中所要求保護的分布式光纖傳感器設備,其中,所述處理器被配置成指示在組合中使用的相位數(shù)據(jù)的通道的數(shù)目以產生所述總相位值。
18.如權利要求14至17中的任一項中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成基于在組合中所使用的數(shù)據(jù)的通道的數(shù)目來對所述總相位值進行校準以產生所述總相位值。
19.如權利要求15或18中的任一項中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成提供以下各項中的至少一個的指示:用來產生所述總相位值的相位數(shù)據(jù)的特定通道和用來產生所述總相位值的相位數(shù)據(jù)的通道的擴展。
20.如權利要求15或18中的任一項中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成基于用來產生所述總相位值的相位數(shù)據(jù)的通道來提供感興趣感測部分的相位中心的估計。
21.如任一前述權利要求中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成向每個通道的相位值施加任何必要時間調整，以在施加所述質量度量之前將聲學刺激的到達方向考慮在內。
22.如任一前述權利要求中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成確定用于每個處理通道的相位數(shù)據(jù)和振幅數(shù)據(jù)。
23.如權利要求22中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，施加所述質量度量包括確定來自每個通道的振幅數(shù)據(jù)的AC與DC比值。
24.如權利要求23中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述AC與DC比值被用作用于該通道的信噪比的指示。
25.如權利要求23或權利要求24中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成丟棄具有在預定閾值以下的AC與DC比值的來自通道的任何相位值。
26.如權利要求23或權利要求24中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成基于用于該通道的所述AC與DC比值來向來自每個通道的相位數(shù)據(jù)施加加權，并考慮所述加權而形成所述總相位值。
27.如任一前述權利要求中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被如此配置，使得處理所述多個通道中的每個通道以確定相位值。
28.如權利要求1至26中的任一項中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成估計用于通道的信噪比并僅處理該通道中的數(shù)據(jù)，以對相位數(shù)據(jù)進行確定該信噪比是否在某個閾值以上。
29.如權利要求28中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述處理器被配置成使用每個通道中的分集樣本的平均強度作為信噪比的估計。
30.如任一前述權利要求中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，與感興趣感測部分相對應的多個樣本中的大多數(shù)是基本上獨立的分集樣本。
31.如任一前述權利要求中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，在使用中，所述多個樣本被如此獲取，使得對于每個樣本而言，可以在檢測器處從其接收到來自詢問輻射脈沖的反向散射信號的光纖的每個貢獻區(qū)段基本上獨立于所述多個樣本中的其余部分中的大多數(shù)的對應貢獻區(qū)段。
32.如權利要求31中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，在使用中，所述多個樣本被如此獲取,使得對于每個樣本而言，每個所述貢獻區(qū)段基本上獨立于所述多個樣本的其余部分中的75%或更多的對應貢獻區(qū)段。
33.如權利要求31或權利要求32中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，與用于所述多個樣本內的任何其他樣本的對應貢獻區(qū)段相比較的用于一個樣本的光纖的每個所述貢獻區(qū)段之間的重疊程度可以是50%或以下。
34.如權利要求31或權利要求32中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，與用于所述多個樣本內的任何其他樣本的對應貢獻區(qū)段相比較的用于一個樣本的光纖的每個所述貢獻區(qū)段之間的重疊程度可以是25%或以下。
35.如權利要求31或權利要求32中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，每個樣本是這樣的，使得每個所述貢獻區(qū)段基本上獨立于用于所述多個樣本的所有其余部分的對應貢獻區(qū)段。
36.如權利要求31至35中的任一項中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述光源被如此配置，使得詢問輻射至少包括具有第一脈沖持續(xù)時間的第一脈沖，并且所述采樣檢測器被如此配置，使得樣本之間的時間差大于用于所述多個樣本中的大多數(shù)的所述第一脈沖持續(xù)時間。
37.如權利要求36中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，所述采樣檢測器被如此配置，使得所述多個樣本中的任何兩個樣本之間的時間差為所述第一脈沖持續(xù)時間的至少50%。
38.如權利要求36中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，所述采樣檢測器被如此配置，使得所述多個樣本中的任何兩個樣本之間的時間差為所述第一脈沖持續(xù)時間的至少75%。
39.如權利要求36中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，所述采樣檢測器被如此配置，使得所述多個樣本中的任何兩個樣本之間的時間差至少等于所述第一脈沖持續(xù)時間。
40.如任一前述權利要求中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述檢測器的采樣率是這樣的，使得一系列連續(xù)樣本能夠被直接用作對應于感興趣感測部分的多個樣本。
41.如任一前述權利要求中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述檢測器的采樣率被配置成在詢問輻射在光纖中行進等于感興趣感測部分的長度的兩倍的距離所花費的時間中獲取多個樣本。
42.如任一前述權利要求中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述檢測器的采樣率約為IOOMHz或以上。
43.如任一前述權利要求中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述光源被如此配置，使得所述詢問輻射包括第一脈沖和第二脈沖，在其之間具有間隙。
44.如權利要求43中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述第一和第二脈沖之間的持續(xù)時間等于或大于所述第一脈沖和/或第二脈沖的脈沖持續(xù)時間。
45.如權利要求44中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述第一和第二脈沖之間的持續(xù)時間為所述第一脈沖和/或第二脈沖的脈沖持續(xù)時間的至少兩倍。
46.如權利要求43至45中的任一項中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述光源被如此配置，使得脈沖對的脈沖在其之間具有頻率差。
47.如任一前述權利要求中所要求保護的分布式光纖傳感器設備，其中，所述光源被配置成反復地向光纖中發(fā)射脈沖對，其中，連續(xù)發(fā)射中的脈沖對具有與彼此相同的頻率配置，并且被如此生成，使得一個脈沖對的脈沖的相位關系具有與連續(xù)脈沖對的相位關系的預定相對相位差。
48.一種分布式光纖感測的方法,包括:` 向光纖中發(fā)射詢問輻射； 對從所述光纖內反向散射的詢問輻射進行采樣；以及 確定用于所述光纖的至少一個空間感測部分的任何相位調制； 其中，確定任何相位調制的步驟包括: 在每次發(fā)射之后取得與從感興趣空間感測部分的至少一部分反向散射的輻射相對應的多個樣本； 將所述多個樣本劃分成多個處理通道； 處理所述多個處理通道中的至少一些，以確定用于所述通道的相位數(shù)據(jù)； 向所述已處理通道施加質量度量；以及 基于施加所述質量度量的結果將用于所述通道的已確定相位數(shù)據(jù)組合成用于所述感興趣空間感測部分的總相位值。
49.如權利要求48中所要求保護的方法，其中，施加所述質量度量的步驟包括確定用于給定通道的相位數(shù)據(jù)與用于其他已處理通道的相位數(shù)據(jù)之間的相似程度。
50.如權利要求49中所要求保護的方法，其中，通過使來自每個通道的相位數(shù)據(jù)與來自其他通道的相位數(shù)據(jù)相關來確定來自通道的相位數(shù)據(jù)之間的相似程度。
51.如權利要求48至50中的任一項中所要求保護的方法，其中，基于施加質量度量的結果來將來自所述通道的相位數(shù)據(jù)與施加于每個已處理通道的相位數(shù)據(jù)的加權進行組合。
52.如權利要求48至51中的任一項中所要求保護的方法，其中，基于所述質量度量來選擇僅來自通道的子集的相位值以形成組合相位值。
53.如權利要求48至52中的任一項中所要求保護的方法，其中，與感興趣感測部分相對應的所述多個樣本中的大多數(shù)是基本上獨立的分集樣本。
54.如權利要求53中所要求保護的方法，包括發(fā)射詢問輻射并對所檢測的反向散射輻射進行采樣，使得對于每個樣本而言，可以從其接收到來自詢問輻射脈沖的反向散射信號的光纖的每個貢獻區(qū)段基本上獨立于所述多個樣本的其余部分中的大多數(shù)的對應貢獻區(qū)段。
55.一種處理從分布式光纖傳感器獲取的數(shù)據(jù)以確定任何相位調制的方法，包括步驟: 在向光纖中發(fā)射詢問輻射之后取得與從所述光纖的感興趣空間感測部分的至少一部分反向散射的輻射相對應的多個樣本； 將所述多個樣本劃分成多個處理通道； 處理所述多個處理通道中的至少一些，以確定用于所述通道的相位數(shù)據(jù)； 向所述已處理通道施加質量度量；以及 基于施加所述質量度量的結果來將用于所述通道的已確定相位數(shù)據(jù)組合成用于所述感興趣空間感測部分的相位值。
56.一種分布式光纖傳感器，包括采樣檢測器，其被配置成在使用中獲取用于感興趣感測部分的多個樣本， 以及處理器，其被配置成在單獨分集通道中處理所述樣本并基于來自已處理通道的得到的數(shù)據(jù)的相似性來將來自所述通道的結果進行組合。
57.分布式光纖傳感器中的詢問輻射的用途，所述詢問輻射包括由大于脈沖寬度的間隙所分離的兩個脈沖，以允許獲取多個在很大程度上獨立的分集樣本。
58.—種分布式光纖傳感器設備,包括光源,其被配置成在使用中反射地向光纖中發(fā)射詢問輻射，其中，所述詢問輻射包括后面是第二脈沖的第一脈沖，其中，所述第一和第二脈沖之間的時間段大于所述第一和/或第二脈沖的脈沖持續(xù)時間，并且還包括采樣檢測器，其被配置成在使用中獲取在持續(xù)時間方面等于脈沖之間的時間的多個樣本。
【文檔編號】G01D5/353GK103733027SQ201280027632
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年4月10日 優(yōu)先權日:2011年4月8日
【發(fā)明者】S.拉塞爾, A.劉易斯 申請人:光學感應器控股有限公司