本發(fā)明涉及干涉式光纖傳感器系統(tǒng)和詢問干涉式光纖傳感器系統(tǒng)的方法。

背景技術(shù)：

光纖傳感器系統(tǒng)由于它們的一般分布式性質(zhì)已經(jīng)被部署在許多不同的應用中。這種系統(tǒng)使得能夠可以使測量為分布式的或者準分布式的，即在沿著光纖的潛在大量點處進行測量。此外，光纖傳感器一般使它們自身沿著單個光纖被復用，因此潛在地減少光纖數(shù)目和復雜度以及笨重的引入電纜等。

一類準分布式光纖傳感器系統(tǒng)基于沿著陣列中的一個或多個光纖布置的一系列反射器。反射器可以例如是光纖布拉格光柵(FBG)、接頭、或者沿著光纖產(chǎn)生大于固有背向散射水平的反射比的其他類型的光纖微擾。來自反射器的所反射信號可以例如被使用在干涉式傳感器布置中，以推斷到反射器的或反射器集合之間的距離或距離上的變化。

基于沿著傳感器光纖的FBG反射器的干涉式傳感器陣列通常利用由相同申請人的US 7,366,055(其由此通過引用被并入)中所描述的波分復用WDM(具有在不同波長處的FBG)和/或時分復用TDM(使用脈沖式詢問來詢問基于等波長FBG陣列的干涉儀)而被詢問。

增大沿著相同光纖的時間復用傳感器的數(shù)目通常將需要與傳感器數(shù)目成反比縮放的減小的脈沖占空比。這將由于接收器處的更低時間平均光功率而減小動態(tài)范圍和傳感器相位分辨率。

利用沿著單個光纖的非常大數(shù)目的干涉式傳感器區(qū)段來獲得分布式感測的一種方式是，例如US 7,764,363中所描述的，使用在時間上將沿著光纖的傳感器區(qū)段分離的脈沖式詢問來利用光纖中的瑞利背向散射。

一種備選的詢問技術(shù)是使用相干光頻域反射計(C-OFDR)方法，其通常被用于光纖和組件中的衰減和背向散射的高空間分辨率特性描述。這里，頻率掃描激光被發(fā)射到被測光纖中，并且返回的光通過在接收器處將所反射的光與參考信號相混合而相干地被檢測。因此，從不同縱向位置背向散射的光將在接收器處在頻域中被分離。

US 2012/0174677A1(Hill)公開了一種基于C-OFDR的傳感器系統(tǒng)，其用于基于沿著的光纖的瑞利散射的分布式干涉式感測，以用于測量機械參數(shù)，特別是沿著光纖的機械振動。

基于光纖的瑞利散射的分布式干涉式感測由于反射回到接收器的非常低的光功率電平而提供有限的傳感器相位分辨率。

因此，改進的光纖傳感器系統(tǒng)將是有利的，并且特別是詢問光纖傳感器系統(tǒng)的更高效和/或改進的方法將是有利的。

本創(chuàng)新的一個目的是克服所提出的現(xiàn)有技術(shù)中的限制。特別地，一個目的是提供沿著光纖的大數(shù)目干涉式傳感器的復用，而同時獲得高傳感器相位分辨率和大動態(tài)范圍。

本發(fā)明的另外的目的是提供對現(xiàn)有技術(shù)的替換物。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，上述目的和若干其他目的被意圖為在本發(fā)明的第一方面中通過提供一種詢問干涉式光纖傳感器系統(tǒng)的方法來獲得。該系統(tǒng)包括用于生成詢問光激光源和傳感器陣列，該傳感器陣列具有至少第一和第二反射器并且具有傳感器延遲，該傳感器延遲為分別從第一和第二反射器反射的光的傳播時間上的差異。該方法包括：在掃描帶寬SBW內(nèi)，在掃描持續(xù)時間t_sw期間，以基本上恒定的掃描速率r＝SBW/t_sw連續(xù)地且重復地頻率掃描來自激光源的詢問光，以產(chǎn)生掃描詢問光信號。掃描詢問光信號被發(fā)射到傳感器陣列中。該方法進一步包括：檢測分別由反射器中的每個反射器從傳感器陣列返回的反射信號，其中檢測包括將來自陣列的返回光信號與本地振蕩器LO信號混合到光接收器上以產(chǎn)生電射頻信號。電射頻信號然后被解復用到分別對應于第一和第二反射器的第一和第二信號通道中。第一和第二信號通道中的每個信號通道被解調(diào)為來自第一反射器的第一相位響應和來自第二反射器的第二相位響應。最后，該方法包括：從第二相位響應減去第一相位響應以獲得傳感器相位信號。以這種方式，可以實現(xiàn)傳感器陣列的連續(xù)且空間分辨的詢問?？臻g分辨率(即，來自多個空間分布式傳感器的響應的分離)是可能的，因為在任何時間點處來自個體反射器的反射信號將在頻率上被分離。相干檢測(即，返回光信號與LO的混合)具有多個優(yōu)點，尤其是實現(xiàn)量子噪聲受限檢測的潛力。在這種情況下，檢測噪聲將被由混合信號的個體傳入光子的離散性質(zhì)產(chǎn)生的散粒噪聲所主導?；旌闲盘柕恼穹话闩c返回光信號電場的強度和LO電場強度的乘積的平方根成比例。當返回光信號一般為弱時，LO的強度可以直接被控制。因此，通過選擇足夠大的LO強度，混合信號的強度可以顯著地大于返回光信號的強度。結(jié)果是，與直接檢測方案相比，可以增大接收器系統(tǒng)的靈敏度。

在本文的上下文中，“連續(xù)且重復”掃描將被理解為所發(fā)出的光頻從掃描帶寬的第一極限到掃描帶寬的第二極限在時間上線性地被調(diào)制，此后新掃描立即被發(fā)起。然而，技術(shù)人員將理解，在終止舊掃描之后重啟新掃描可能需要短切換時間，其中短切換時間相對于掃描持續(xù)時間t_sw被視為例如<t_sw的20％，諸如<t_sw的10％，或者甚至<t_sw的5％。因此，操作包括這種短切換時間的方法的系統(tǒng)仍然被認為是連續(xù)地掃描。以這種方式，在來自第二掃描的光被發(fā)射到干涉式傳感器陣列中的同時，來自第一掃描的來自一個或多個反射器的反射信號仍然可以朝向接收器傳播回來。在一些情況下，由第二掃描引起的來自第一反射器的反射信號甚至可以與由第一掃描引起的來自最后反射器的反射信號同時但在另一頻率處被檢測。

連續(xù)詢問允許接近于1的占空比，即使是在長傳感器陣列跨度上(例如，2-10km或者甚至更長)。此外，它減輕了關(guān)于相變的2π模糊度的問題，這些問題否則可能在沒有詢問的時段期間發(fā)生在大相變的情況下。這導致了根據(jù)本發(fā)明進行操作的系統(tǒng)的改進的動態(tài)范圍(即，掃描速率和轉(zhuǎn)換速率)。

傳感器陣列可以被配置在若干不同的拓撲中，諸如線性拓撲、星形拓撲等。

傳感器陣列的傳感器一般包括換能器，換能器被配置為將被測變量上的變化轉(zhuǎn)換成傳感器陣列的傳感器節(jié)段的光路延遲上的改變。一個這種光改變是傳感器節(jié)段的長度改變。備選地，折射率或雙折射上的改變可以導致這種光路延遲改變。

被測變量例如可以為壓力變化，諸如聲信號、應變變化、或加速度。

在本發(fā)明的實施例中，傳感器節(jié)段被定義為兩個連續(xù)反射器之間中的光纖的節(jié)段。

在本發(fā)明的實施例中，傳感器節(jié)段被定義為分離光纖中的兩個反射器之間的路徑上的差異。

在本發(fā)明的實施例中，傳感器陣列包括在兩個反射器之間定義并且對被測變量基本上不敏感的參考傳感器。以這種方式，可以獲得參考信號，參考信號將包含一些由與剩余傳感器相同但對被測變量不敏感的源波動(諸如由激光源引起的相位和強度波動)引起的噪聲分量。如此，這一參考信號可以被用來針對由源波動引起的噪聲補償來自傳感器的所測量信號。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，干涉式傳感器陣列包括在第二反射器之后的一個或多個另外的反射器，以便包括多個反射器。任何反射器對之間的光纖區(qū)段因此可以形成傳感器，因此允許多個傳感器。在典型配置中，僅兩個連續(xù)反射器之間的光纖區(qū)段被定義為傳感器。使用這種方法，大數(shù)目的反射器并且因此干涉式傳感器可以在維持高占空比、大動態(tài)范圍的同時被詢問。因為使用了連續(xù)波(CW)系統(tǒng)，所以可以避免脈沖式系統(tǒng)中所需要的高光峰值功率，因此使關(guān)于陣列中的非線性效應的問題最小化。

在包括另外的反射器的實施例中，另外的反射器標稱上與第一和/或第二反射器相同。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，第一和/或第二反射器為分立反射器。分立反射器的使用使能比分布式瑞利反射器更高的反射率，而導致改進的信噪(S/N)比(參見例如US 2012/0174677A1“Hill”中所公開的基于瑞利的分布式傳感器系統(tǒng))，這由于光延遲測量中減少的相位噪聲而使能被測變量的改進的分辨率。在本上下文中，分立反射器將被理解為具有大于從該反射器遠離的傳感器陣列的平均背向散射水平的反射率(諸如，大約為來自10m光纖的背向散射水平的2到5個數(shù)量級倍數(shù))的傳感器陣列的局部化特征。此外，局部化將被理解為具有小于0.5倍的光傳感器系統(tǒng)的空間分辨率的沿著傳感器陣列的光傳播方向的廣度(extent)，諸如小于0.2倍的空間分辨率，或者甚至小于0.1倍的空間分辨率，或者甚至大約為0.01倍的空間分辨率。換言之，分立反射器可以具有沿著傳播方向的縱向廣度，但是該廣度基本上未被傳感器系統(tǒng)分辨。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，(多個)分立反射器為或包括光纖布拉格光柵FBG。FBG允許關(guān)于反射率、反射帶寬、反射頻帶的波長等的大程度的可修整性。此外，多個FBG可以被內(nèi)接在連續(xù)長度的光纖中，因此防止或限制由反射器引入的光纖的機械強度的損失。

在備選的實施例中，第一和/或第二反射器基于來自一個長度的光纖的瑞利背向散射。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，掃描帶寬SBW被選擇為小于光接收器的帶寬。這使得有可能僅利用一個LO頻率(如下面所討論的，除了在變跡交疊時段期間的LO頻率的可能復制之外)實現(xiàn)全部傳感器通道的連續(xù)詢問。它還使得有可能使用一個單掃描信號用于傳感器詢問信號和LO信號這兩者。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，光接收器包括平衡檢測器。

在一種實施例中，接收器為IQ接收器，包括被布置為檢測與具有不同相位偏移的LO的干擾的多個檢測器，這些檢測器的輸出線性地被組合(投射)以提取正交的I分量和Q分量。以這種方式，正頻率分量和負頻率分量可以被區(qū)分并且因此允許連續(xù)詢問，即使是在LO信號跨與所反射的詢問信號相同的頻率范圍被掃描的情況下。

注意，如果使用包括至少兩個光檢測器的復IQ接收器，則可以有可能具有等于每個物理檢測器的帶寬兩倍的可使用帶寬，因為可使用帶寬在這種情況下包括正頻率和負頻率這兩者。因此，掃描帶寬可以相應地被選擇。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，本地振蕩器光信號由激光源生成。例如，LO光信號可以從詢問光信號被分出或生成?；蛘?，LO光和詢問光可以源于相同激光器但由不同的電光調(diào)制器調(diào)制，或者信號中的一個信號可以根本不在激光器外部被調(diào)制。

在備選的實施例中，本地振蕩器光信號與詢問光分開被生成。

在一個實施例中，其中本地振蕩器光未被掃描為詢問光，并且返回光信號與LO之間的差拍信號因此在時間上不恒定，解調(diào)射頻信號包括利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器來采樣電射頻信號并且將產(chǎn)生的數(shù)字信號與復合成掃描信號相混合，合成掃描信號被生成為具有與詢問信號相同但具有相反符號的掃描速率。因此，混合信號的頻率在時間上將是恒定的，除了當掃描詢問信號或合成掃描信號被重置時在兩個頻率通道之間的跳躍(即，每掃描時段的兩個跳躍)之外。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，本地振蕩器光信號為掃描詢問光信號的一部分。因為LO光在這一實施例中也被掃描，所以反射信號與LO光之間的拍頻在時間上將是恒定的，除了當開始新LO掃描時和當反射信號從一個掃描進行到下一掃描時之外。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，掃描持續(xù)時間t_sw被選擇為大于Nt_s，其中Nt_s為從第一傳感器到最后傳感器的返回時間，N為陣列中的反射器的數(shù)目，并且t_s為兩個相鄰反射器之間的平均往返時間間隔。以這種方式，在來自單獨掃描和單獨反射器的反射信號之間在接收器處在光頻域中的交疊被避免。

在方法的實施例中，掃描持續(xù)時間t_sw被選擇為大于3Nt_s。以這種方式，由LO和來自反射器的直接初級反射之間的干擾引起的期望信號頻率與由不同初級反射(即，沒有LO)之間的干擾引起的不想要的拍頻之間在RF頻域中的交疊可以被避免。

在一種實施例中，傳感器陣列的反射器沿著陣列以與整數(shù)個返回時間延遲時段t_s相對應的間隔被定位，并且其中第一反射器與最后反射器之間的返回延遲為Nt_s。因此，針對每個整數(shù)值的延遲t_s不必然找到反射器，但是任何存在的反射器被定位(在生產(chǎn)公差內(nèi))在這種整數(shù)點處。以這種方式，例如使用如由相同申請人在US 7,206,075B2中所描述的剝層(layer-peeling)，可以修正由陣列中的多個反射引起的串擾，該文獻在此至少為了描述剝層的目的而通過引用被并入。

在一種實施例中，傳感器陣列的反射器沿著陣列以與整數(shù)個返回時間延遲時段t_s±50cm(諸如，±10cm或者甚至±1cm)相對應的間隔被定位。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，掃描帶寬SBW被選擇為小于大約200MHz，諸如小于大約100MHz，或者甚至小于大約20MHz。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，掃描速率r被選擇為在大約0.1-100GHz/ms的范圍中，諸如大約0.5-50GHz/ms，或者甚至大約1.0-10GHz/ms。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，解復用電射頻信號的步驟進一步包括：對電射頻信號進行濾波以分離正頻帶和負頻帶。在這一實施例中，該方法進一步包括：通過與具有復恒定頻率的混合器信號進行混合來頻移正頻帶和/或負頻帶，該復恒定頻率被計算為使得正頻帶和負頻帶在頻率上交疊。最后，這一實施例中的方法包括：將經(jīng)頻移的頻帶加和成組合信號以用于解調(diào)。以這種方式，負頻帶和正頻帶可以被組合以允許傳感器相位響應的連續(xù)檢測。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，濾波使用具有時間依賴響應的濾波器，該時間依賴響應被適配用于分別在正頻帶或負頻帶中在沒有信號的時間間隔中抑制噪聲。因此，當沒有信號存在于一個頻帶中并且另一頻帶正被監(jiān)測時，來自該頻帶的噪聲貢獻可以被濾除。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，濾波使用具有時間和頻率依賴響應的濾波器，該時間和頻率依賴響應被配置為在正頻帶和負頻帶通過加和被組合之前向正頻帶和/或負頻帶應用時間和頻率依賴的相移。以這種方式，可以在組合頻帶中實現(xiàn)負頻帶之間的相位匹配。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，在與一個頻帶有關(guān)的完成的掃描結(jié)束時，并且在與另一頻帶有關(guān)的后續(xù)掃描的開始時，掃描詢問光信號的光場振幅被變跡從變跡的開始至結(jié)束的變跡持續(xù)時間T_apod，以便減少頻帶之間在被組合時的串擾。這通過抑制否則非常寬帶的差拍信號(其將由從一個掃描到下一掃描的接近瞬時的跳頻生成)被實現(xiàn)。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，變跡持續(xù)時間T_apod在0.8·1/SBW至10·1/SBW的范圍中，諸如0.9·1/SBW至5·1/SBW，或者大于1/SBW。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，完成的掃描的結(jié)束變跡和后續(xù)掃描的開始變跡在時間上交疊。因此，來自兩個掃描的詢問光信號將在與交疊有關(guān)的轉(zhuǎn)變期間被同時發(fā)射到傳感器系統(tǒng)中。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，變跡被配置以使得完成的掃描和后續(xù)掃描的光場振幅的加和貫穿變跡持續(xù)時間基本上恒定。

在一個實施例中，用于結(jié)束的掃描的掃描詢問光信號由第一激光源來提供，而用于后續(xù)掃描的掃描詢問光信號由第二激光源來提供。以這種方式，例如簡單地通過對來自第一和第二激光源的輸出分離地進行強度調(diào)制，可以實現(xiàn)兩個掃描的簡單變跡。

在一個實施例中，兩個信號的強度調(diào)制由被供給有形成兩個同時掃描信號的兩個控制信號的加和的單個AOM來實現(xiàn)。

在另一實施例中，兩個信號的強度調(diào)制由被供給有形成兩個同時掃描信號的兩個控制信號的加和的一個單邊帶鈮酸鋰調(diào)制器來實現(xiàn)。備選地，每個光信號可以利用單獨的調(diào)制器被強度調(diào)制。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明此外對于獲得一種用于基本上連續(xù)的數(shù)據(jù)獲取的干涉式光纖傳感器系統(tǒng)是有利的。該系統(tǒng)包括用于發(fā)出在頻率v處的詢問光的激光源。該系統(tǒng)進一步包括至少第一光調(diào)制器，該至少第一調(diào)光器可操作用于在掃描帶寬SBW內(nèi)、在掃描持續(xù)時間t_sw期間、以基本上恒定的掃描速率r＝SBW/t_sw連續(xù)地且重復地頻率掃描詢問光以具有頻率v₁＝v+f₁。該系統(tǒng)另外包括傳感器陣列，該傳感器陣列具有輸入端、遠端，并且包括至少第一和第二反射器，其中傳感器陣列被布置為經(jīng)由輸入端接收從至少第一光調(diào)制器輸出的光，傳感器陣列進一步被布置為在輸入端處向外耦合返回信號。相干接收器被布置為將本地振蕩器(LO)信號與來自傳感器陣列的返回信號混合，以產(chǎn)生電射頻信號。最后，該系統(tǒng)包括處理器，該處理器被配置用于將電射頻信號解復用到分別對應于第一和第二反射器的第一和第二信號通道中，以用于將第一和第二信號通道中的每個信號通道連續(xù)地解調(diào)為來自第一反射器的第一相位響應和來自第二反射器的第二相位響應，并且用于從第二相位響應減去第一相位響應以獲得傳感器相位信號。以這種方式，干涉式光纖傳感器系統(tǒng)被配置為根據(jù)詢問傳感器系統(tǒng)的上述方法來進行動作。因此，上面針對方法所描述的優(yōu)點也適用于該系統(tǒng)。

處理器可以以不同的方式來實施，諸如使用模擬處理或者在軟件中。還可以使用組合，以使得使用模擬處理進行一個或多個步驟，而剩余步驟在軟件中被執(zhí)行。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例中，該系統(tǒng)進一步包括第二光調(diào)制器，第二光調(diào)制器用于線性地頻率掃描從激光器發(fā)出的光以具有頻率v₂＝v+f₂，其中第二光調(diào)制器與第一光調(diào)制器并聯(lián)連接。該系統(tǒng)進一步包括光空間開關(guān)，該光空間開關(guān)被適配用于將來自第一光調(diào)制器或來自第二光調(diào)制器的光選擇性地發(fā)射到傳感器光纖中。另外，該系統(tǒng)包括參考光耦合器，該參考光耦合器用于耦合來自第一光調(diào)制器的輸出光連同來自第二光調(diào)制器的光，以引起將被耦合到相干接收器的經(jīng)調(diào)制的參考信號。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例中，激光源為連續(xù)波(CW)激光器。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例中，激光源為高度相干單頻激光器。以這種方式，可以實現(xiàn)特別低的頻率噪聲的激光信號，這對增大測量范圍并且對改進測量分辨率是有利的。

在一種實施例中，激光源包括光纖激光器。在優(yōu)選實施例中，激光源包括光纖分布式反饋(DFB)激光器。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例中，激光器為WDM源，或者是被布置為在不同WDM通道處進行發(fā)射的多個激光器。在這一上下文中，WDM源將被理解為在對應于不同WDM通道的不同波長處同時發(fā)出多個激光信號的源。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例中，第一和/或第二反射器為分立反射器。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例中，分立反射器中的一個或多個分立反射器為或包括光纖布拉格光柵(FBG)。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例中，傳感器陣列包括第一波分復用(WDM)反射器組，第一WDM反射器組包括被配置用于反射第一波長范圍內(nèi)的光并且基本上不反射第二波長范圍內(nèi)的光的一個或多個第一反射器，傳感器陣列進一步包括第二WDM反射器組，第二WDM反射器組包括被配置用于反射第二波長頻帶內(nèi)的光并且基本上不反射第一波長范圍內(nèi)的光的一個或多個第二反射器。以這種方式，可以詢問增大的測量范圍和/或增大數(shù)目的傳感器。注意，沿著傳感器陣列可以包括多于兩個WDM反射器組，并且每個數(shù)目的WDM反射器組可以包括多個反射器。進一步注意，每個WDM反射器組中的反射器的數(shù)目不要求跨不同的組相同。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例中，調(diào)制器為聲光調(diào)制器(AOM)。在傳感器系統(tǒng)的另一實施例中，激光源能夠被直接調(diào)制以生成掃描詢問光信號。

在一個實施例中，激光源是被布置為在不同波長處發(fā)出光的多個激光源的組件。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例中，LO信號由第一光調(diào)制器來調(diào)制。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例中，LO信號由第一光調(diào)制器和第二光調(diào)制器兩者來調(diào)制。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例中，光纖傳感器系統(tǒng)為地震傳感器系統(tǒng)。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例中，光纖傳感器系統(tǒng)為海底地震傳感器系統(tǒng)。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例中，光纖傳感器系統(tǒng)為準分布式聲傳感器(DAS)系統(tǒng)。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例中，調(diào)制器包括相位調(diào)制器，例如在遵循離散時間模2π或整數(shù)倍2π的二次函數(shù)的離散時間間隔處切換光相位的電光鈮酸鋰相位調(diào)制器。這將導致相對離散時間的連續(xù)重復的線性頻率掃描。相位切換間隔通常可以等于τ_s。強度調(diào)制器可以被添加以針對接近每個切換實例的短時間間隔(通常<0.5τ_s)關(guān)閉光強度，以抑制相位轉(zhuǎn)變的不理想效應。

根據(jù)第三方面，本發(fā)明此外對于獲得另一種用于基本上連續(xù)的數(shù)據(jù)獲取的干涉式光纖傳感器系統(tǒng)是有利的。與根據(jù)第二方面的系統(tǒng)相比，這一系統(tǒng)包括直接調(diào)制激光器，并且因此減輕了對于用于生成掃描詢問光信號的第一光調(diào)制器的需要。在這一系統(tǒng)的一些實施例中，可以包括一個或多個調(diào)制器，例如用以變跡來自激光器的掃描詢問光信號，和/或一般用以創(chuàng)建用于傳感器詢問和用于本地振蕩器的不同信號。

本發(fā)明的第一、第二和第三方面可以被組合。本發(fā)明的這些和其他方面從后文中所描述的實施例來看將是明顯的，并且參考后文中所描述的實施例被闡明。

附圖說明

現(xiàn)在將關(guān)于附圖更詳細地描述根據(jù)本發(fā)明的詢問方法和干涉式光纖傳感器系統(tǒng)。附圖示出了實施本發(fā)明的一種方式，并且不解釋為被限制于落在所附權(quán)利要求組的范圍內(nèi)的其他可能實施例。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。

圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)的實施例的配置、以及根據(jù)詢問傳感器系統(tǒng)發(fā)明的方法的實施例的細節(jié)。

圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)的實施例的配置、以及根據(jù)詢問傳感器系統(tǒng)發(fā)明的方法的實施例的細節(jié)。

圖4圖示了詢問方法的實施例的細節(jié)。

圖5圖示了詢問方法的實施例的細節(jié)。

圖6圖示了與詢問光信號有關(guān)的光場的變跡。

具體實施方式

圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的詢問干涉式光纖傳感器系統(tǒng)的方法1。首先，利用源激光生成詢問光2。激光可以為連續(xù)波(CW)類型。詢問光以如上文所定義的連續(xù)且重復方式被頻率調(diào)制4，以產(chǎn)生掃描詢問光信號。頻率調(diào)制4的步驟可以以不同方式被執(zhí)行，諸如激光源的直接調(diào)制或在激光源外部的調(diào)制。外部調(diào)制可以優(yōu)選地利用聲光調(diào)制器(AOM)來執(zhí)行。掃描詢問光信號然后被發(fā)射6到包括至少兩個反射器的光纖傳感器陣列中。因此，所發(fā)射的光由于掃描將具有取決于發(fā)射時間的頻率。因此，從沿著傳感器陣列的不同位置處的反射器反射的光將具有不同的頻率，因為反射器將具有不同的往返延遲。為了在來自個體反射器的返回光之間進行區(qū)分，總的返回光信號與本地振蕩器(LO)信號混合8到包括接收器的檢測器上。以這種方式，利用返回光信號與本地振蕩器之間的拍頻處的頻率分量來產(chǎn)生射頻信號10。注意，取決于LO信號，用于單個反射器的拍頻可以隨著時間而變化(例如，在LO具有在掃描期間恒定的頻率的情況下)或者為恒定拍頻(在利用與詢問光信號相同的掃描速率來掃描LO的情況下)。因此，所檢測信號的進一步處理可以在與光域相對的電域中被執(zhí)行。這例如在這里所圖示的最后兩個步驟中進行，即解復用個體的傳感器信號11，以及解調(diào)每個傳感器信號以從RF信號獲得傳感器響應12。

圖2a示出了根據(jù)本發(fā)明的并且被適配用于執(zhí)行本發(fā)明的方法的實施例的傳感器系統(tǒng)100的實施例。以頻率v在激光器102中生成激光，在此之后，分光器將光劃分為去往AOM2 105的本地振蕩器信號，而該分光的另一部分為詢問光，利用AOM1 104來頻率掃描該詢問光。分光器的分光率優(yōu)選地被選擇或調(diào)整為產(chǎn)生具有0.1mW-10mW范圍內(nèi)的光功率的LO信號，以導致散粒噪聲受限檢測。因此，分光率不限于50％分光，而是可以例如基于應用中所涉及的光功率電平被選取。AOM1 104由數(shù)字控制器(未示出)來控制，數(shù)字控制器生成被數(shù)模(DA)轉(zhuǎn)換并且用來驅(qū)動RF信號生成器的信號。以這種方式，AOM1被操作為將線性頻移應用到詢問光。為了探測傳感器陣列110的兩個正交偏振態(tài)，偏振交織器106被部署。這里，利用偏振分束器(PBS)將光相等地耦合到兩個偏振，Y偏振被延遲以分離兩個偏振中的詢問頻率，并且X和Y偏振在發(fā)射到傳感器陣列110中之前再次被組合。在這里所示出的實施例中，系統(tǒng)包括傳感器陣列中(即，從偏振交織器106的第二PBS到接收器側(cè)的PBS 112)的標準單模光纖(SMF)。相對照地，貫穿LO路徑并且從PBS 112到接收器的在激光器與偏振交織器106之間使用的光纖包括偏振維持光纖(PMF)。儀器與傳感器陣列110的反射器之間的光纖電纜的長度通常稱為“引入電纜”。陣列具有沿著長度基本上等間隔的多個反射器，其中任何兩個相鄰反射器之間具有延遲τ_s。這里，前兩個反射器R1和R2在附圖中被指示為形成在反射器之間具有已知的且基本上恒定的長度或間隔的參考傳感器REF。以這種方式，來自參考傳感器的所檢測信號可以被用來修正來自其他傳感器的所檢測信號，這有關(guān)于由來自激光源和調(diào)制器的掃描頻率信號中的頻率波動引起的共同相位波動、或者由于引入光纖路徑或LO光纖路徑中的環(huán)境引發(fā)的相位波動而引起的多普勒引發(fā)的頻率噪聲。背向反射信號(或返回光)經(jīng)由環(huán)行器108朝向接收器116被定向，接收器116包括一個或多個檢測器。使用偏振分束器(PBS)112和兩個2×2耦合器114的組合，返回光在到達接收器116之前與LO信號相混合。返回光的兩個偏振態(tài)由偏振分束器112投射到兩個正交的接收器偏振通道Sx和Sy中。由偏振交織器106施加的延遲上的差異確保了來自輸入偏振x和y的響應在與LO信號混合之后將在接收器通道上在RF頻率中被分離。在Sx接收器處，來自輸入x和輸入y的響應分別被命名為Sx.x和Sx.y，而在Sy接收器處，它們被命名為Sy.x和Sy.y。這四個分量的復振幅集合表示從偏振交織器106到PBS 112的傳輸路徑的復瓊斯矩陣，并且因此允許傳感器陣列的偏振態(tài)的完整偏振分辨的特性描述。因此，通過分析由各種所檢測頻率的復振幅給出的瓊斯矩陣，可以檢測傳感器相位上的改變和傳感器雙折射上的改變這兩者。此外，因為復瓊斯矩陣對于每個時間步長是已知的，所以由傳感器陣列內(nèi)的多個反射引起的串擾可以例如通過(如由相同申請人在US 7,206,075B2中所描述的，也如在上文所提及的)剝層法被去除。為了抑制所反射信號之間的光強度噪聲和不想要的直接干擾，系統(tǒng)在這里被圖示為使用平衡接收器用于每個偏振，其中來自兩個檢測器的信號相減。最后，來自接收器116的射頻電信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)集合中被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號、被解復用120以分離來自陣列110的每個反射器的信號并且解調(diào)為相位。圖2c圖示了針對每個反射器的所檢測的差拍信號。通過將如圖2c中所圖示的電信號與具有與掃描詢問信號相同r但具有相反符號的所合成LO相混合，則拍頻的時間依賴性可以被去除并且復振幅可以被提取。

傳感器陣列的反射器一般可以被定位在沿著陣列的任意位置處。然而，如果反射器全部落在作為整數(shù)數(shù)目的所選取周期的位置處，則數(shù)據(jù)處理(諸如，如上文所提及的剝層)被簡化。

作為一種示例，假定周期被選取為10m。在這種情況下，不需要在例如針對每10m的每個位置處具有反射器，但是存在于陣列中的反射器應當定位在周期的整數(shù)倍數(shù)處(例如，10m、20m、…100m、110m、…，而不是15m、25m、…)。技術(shù)人員將理解，其他的周期值可以取決于系統(tǒng)規(guī)格被選取。

圖2b圖示了掃描詢問信號f₁和LO信號f₂。詢問信號以掃描速率r＝SBW/t_sw被掃描，其中SBW為掃描帶寬并且t_sw為掃描持續(xù)時間。一般而言，可取的是具有高調(diào)諧速率r＝dv/dt(詢問光頻率v的時間導數(shù))。傳感器通道頻率間隔或帶寬可以被定義為B＝rt_s，其中t_s為單個傳感器的傳感器延遲。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大帶寬B(高達例如500kHz)允許i)大動態(tài)范圍、ii)大解調(diào)帶寬、以及iii)對通道間隔頻率附近的激光相位噪聲的降低的敏感度。B＝500kHz和t_s＝100ns對應于r＝50GHz/ms。

延遲分辨率被t_res>2/SBW(其中因數(shù)2歸因于偏振交織器)所限制。對于100ns傳感器延遲(10m傳感器光纖)，需要僅20MHz的SBW。這比聚焦于獲得毫米分辨率的典型OFDR系統(tǒng)中所需要的小得多。

發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，結(jié)合AOM快速掃描移頻器來使用光纖激光器允許了所需要的高r、必需的SBE、以及超低頻率噪聲。因此，將有可能利用典型的傳感器長度(～10m)來獲得大動態(tài)范圍和低噪聲(高S/N比)這兩者。發(fā)現(xiàn)了有可能利用光纖激光器的直接應變調(diào)諧(具有增大的SBW和t_rep，其中t_rep為掃描重復時間，即從一個掃描開始到下一掃描開始的時間)來獲得類似的r。備選地，可以使用其他類型的頻率調(diào)制器，諸如單邊帶抑制載波調(diào)制器。適合的單邊帶抑制載波調(diào)制器的一個示例包括鈮酸鋰(LiNb)調(diào)制器。

為了避免在來自不同傳感器的所反射(初級)信號之間在光時頻域中的交疊，掃描重復時間必須大于從第一傳感器到最后傳感器的返回時間N*t_s(假定反射器之間的恒定間隔為t_s或其倍數(shù))。為了避免在初級反射信號與來自在前掃描的3(或5)階反射之間的交疊，掃描重復時間必須大于2*N*t_s(或相應地大于3*N*t_s)。通過保持掃描重復時間>3*N*t_s，還有可能避免檢測器上的初級傳感器頻率與源于初級光反射之間的直接干擾(不涉及本地振蕩器的干擾)的頻率之間的交疊。這在圖4中進一步詳細地被圖示。

在一種備選的實施例(未示出)中，AOM1 104和AOM2 105這兩者被用來掃描詢問光信號，并且兩個所掃描的信號被使用作為LO信號。掃描在AOM1 104上被發(fā)起并且被發(fā)動到光纖陣列中，直到簡單地通過將開關(guān)從第一輸入切換到第二輸入而對來自AOM2 105的調(diào)制光重新開始掃描為止。然而，在切換之后，來自第一掃描的返回光將仍然返回一段時間。因此，來自AOM1的掃描被維持以使用作為LO，直到來自該掃描的全部返回光已經(jīng)返回為止。以這種方式，即使對于具有用于大多數(shù)遙遠反射器的對應的長傳感器延遲的長陣列，也可以實現(xiàn)連續(xù)測量。在傳感器光纖長于利用單個接收器詢問的反射器陣列(即，在相同光纖上利用覆蓋不同波長帶的FBG的WDM復用)的情況下，增加的掃描重復時間將有助于消除與來自傳感器光纖的利用另一中心波長詢問的部分的瑞利散射和FBG邊帶反射的干擾。注意，在這種情況下，因為LO信號利用與詢問光信號相同的掃描速率被掃描，所以接收器信號將在固定頻率處。

圖3圖示了傳感器系統(tǒng)的另一實施例。該實施例與上面關(guān)于圖2所討論的實施例有關(guān)。因此，這里將僅討論關(guān)于那些實施例的差異。所看到的是，已經(jīng)省略了之前的AOM2。通過使用兩個2×3耦合器來混合LO信號與返回光，具有120度相位差的三個復分量可以被檢測?；谶@三個分量，平衡的I通道和Q通道通過線性相加和相減而被生成。這一實施方式的優(yōu)點是僅需要一個AOM。所需要的ADC的數(shù)目加倍，但是針對每個ADC的所需帶寬以因數(shù)二被減小。此外，從反射器獲得恒定頻率響應，而消除來自接收器的時域串擾。這一實施例中還圖示了光纖延遲111(通常為光纖線圈的形式)被引入到環(huán)行器108與PBS 112之間的光路中。以這種方式，相比于LO信號，來自陣列的所反射信號被延遲，這再次導致增大的頻率差異并且因此導致這兩個信號之間的拍頻。光纖延遲111還可以被引入在LO臂中、或者交織器106與環(huán)行器108之間。優(yōu)選地，到陣列中的第一反射器的往返延遲被選擇為比LO臂的傳播時間加上掃描重復時間段的可選整數(shù)倍數(shù)長大約Nt_s，同時掃描重復時間被保持>3Nt_s。這對應于圖4中所圖示并且在下面進一步描述的情況。以這種方式，拍頻從不想要的干擾分離。注意，光纖延遲111還可以出于相同原因被包括在圖2中所示出的實施例中。

圖4圖示了所檢測的由傳感器陣列產(chǎn)生的干擾類型。在圖4a中，LO信號被指示。進一步到右邊，初級(想要的)反射被看到，并且被標記1…N以指示它們源于哪個反射器。所看到的下一組信號是最低階的多個反射(即，第三階)，其將具有≤2Nt_s的往返延遲。最后，看到下一組多個反射(即，第五階)，具有≤3Nt_s的延遲。圖4b示出了在與所掃描的LO信號混合之后觀察到的拍頻。所看到的是，不同類型的差拍信號由不想要的干擾引起，即在來自反射器1和反射器N(沒有LO)的信號之間的直接干擾，或者在第3或第5階反射與LO之間的干擾。通過在LO與來自反射器1的反射之間引入延遲Nt_s，期望的初級拍頻將發(fā)生在SBW/3與2SBW/3之間、以及-SBW/3與-2SBW/3之間的頻帶中。如圖4b中所指示的，不想要的拍頻分量將落在這些范圍以外。

在圖4b中，來自每個傳感器通道的信號在正和負頻帶之間交替。圖5圖示了正頻帶131和負頻帶132中的信號如何可以組合成具有連續(xù)傳感器通道頻率信號的單個頻帶。這可以通過以下來進行：通濾波將正頻帶與負頻帶在頻域中分離，然后通過與具有恒定頻率的復混合器信號進行混合在頻率上位移頻帶中的至少一個頻帶以使頻帶在頻率上交疊，最后加和兩個經(jīng)頻移的頻帶。所使用的濾波器可以具有時間依賴響應以在相應頻帶中沒有信號的時間間隔中抑制噪聲。濾波可以對電射頻信號電氣地執(zhí)行，或者可以在AD轉(zhuǎn)換之后數(shù)字地執(zhí)行。

為了確保在組合頻帶之間的轉(zhuǎn)變時的恰當相位匹配，必須仔細地調(diào)節(jié)最后分段的復混合器信號的相位，這引起頻帶的頻移以及組合信號的頻偏。如果掃描重復速率為1/SBW的倍數(shù)，同時全部反射器延遲以標稱傳感器延遲τ_s(其也是1/SBW的倍數(shù))的倍數(shù)被分離，則相位匹配將更容易。然而，如果這些條件沒有被滿足，則恰當?shù)南辔黄ヅ淙匀豢梢酝ㄟ^在頻帶被組合之前向頻帶中的每個頻帶應用時間和頻率依賴的相移而被實現(xiàn)。

如果詢問傳感器陣列的掃描信號或LO從最大頻率到最小頻率的轉(zhuǎn)變幾乎為瞬時的，則在圖5上部分中的頻帶131和頻帶132之一內(nèi)的每個傳感器通道頻率信號的開始和停止將是非常寬帶的。在一個頻帶(例如，正頻帶)中的“開-關(guān)”或“關(guān)-開”轉(zhuǎn)變時生成的頻率分量然后可以與相對頻帶(例如，負頻帶)交疊，導致了在頻帶被組合之前不能被濾除的不想要的串擾。為了避免這種串擾，由AOM 104生成的掃描信號可以在掃描的開始和結(jié)束時被變跡(apodize)。通常將需要從變跡開始到變跡結(jié)束的變跡持續(xù)時間T_apod>1/SBW以避免頻帶之間的串擾。如果負頻帶132的頂部和正頻帶131的頂部靠近在一起，即如果掃描重復時間顯著地短于3*N*t_s，則使T_apod甚至更大(諸如若干倍的1/SBW)可能是可取的。

變跡可以以這樣的方式來進行：在接著的掃描在該變跡開端處開始增大至零以上之前，完成的掃描的振幅在變跡結(jié)束時被帶到零。然而，這將導致組合頻帶133的個體通道振幅中的相對時間的狹窄下降，其將加寬通道頻譜并且其可能促進不合意的通道串擾。

為了避免這一問題，如圖6中所圖示的，來自AOM的后續(xù)掃描的變跡可以被設計為交疊。結(jié)束的掃描的光場的光場振幅(絕對值)134在這里在變跡持續(xù)時間T_apod期間從滿振幅被帶到零，而后續(xù)掃描的振幅135從零被帶到滿振幅。變跡可以優(yōu)選地(如這里所圖示的)被設計為使得兩個振幅的加和相對時間基本上恒定。頻率掃描速率應當優(yōu)選地在針對兩個掃描的變跡時段期間在r處被保持恒定。作為結(jié)果，歸因于掃描轉(zhuǎn)變，個體通道頻率信號振幅中將沒有相對時間的下降，并且通道串擾將因此被避免。使用交疊的掃描，通過上面所描述的變跡技術(shù)，因此使得沒有串擾懲罰的連續(xù)相位解調(diào)成為可能。

在一個實施例中，用于結(jié)束的掃描的掃描詢問光信號由第一激光源來提供，而用于后續(xù)掃描的掃描詢問光信號由第二激光源來提供。以這種方式，例如簡單地通過對來自第一和第二激光源的輸出分離地進行強度調(diào)制，可以實現(xiàn)兩個掃描的簡單變跡。在一個實施例中，這兩個信號的強度調(diào)制由被供給有形成兩個同時掃描信號的兩個控制信號的加和的單個AOM來實現(xiàn)。

在另一實施例中，這兩個信號的強度調(diào)制由被供給有形成兩個同時掃描信號的兩個控制信號的加和的一個單邊帶鈮酸鋰調(diào)制器來實現(xiàn)。備選地，每個光信號可以利用單獨的調(diào)制器被強度調(diào)制。

雖然已經(jīng)關(guān)于指定的實施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不應當以任何方式被解釋為限于所提出的示例。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求組來闡述。在權(quán)利要求的上下文中，術(shù)語“包括”或“包括有”不排除其他可能的元件或步驟。此外，對諸如“一”或“一個”等參考的提及不應當被解釋為排除多個。權(quán)利要求中關(guān)于附圖中所指示的元件的參考符號的使用也不應該被解釋為限制本發(fā)明的范圍。此外，不同權(quán)利要求中所提及的個體特征可以可能地有利地被組合，并且不同權(quán)利要求中的這些特征的提及不排除特征組合不是可能的和有利的。