[发明专利]使用数字化来测量来自光纤的布里渊反向散射

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光时域反射法的、用于测量来自光纤的布里渊反向散射的方法，该方法使用数字化。本发明还涉及用于执行该方法的装置。

背景技术

光时域反射法(OTDR)是一种使用光纤进行各种参数的远程测量的技术。将光探查脉冲发射到光纤的一端，光纤配置为穿过感兴趣的区域，例如下至油井。该脉冲沿光纤传播，从沿光纤的长度的点反向散射部分光，并且将其返回到发射端，在发射端探测该部分光。在光返回时，记录至散射点并返回的传播时间，从而能够利用在光纤中的传播速度来计算散射点的位置。同样，诸如温度、应变、和压力的各种物理参数对光如何散射具有影响，包括产生拉曼和布里渊频移。根据这些频移的大小、宽度和强度，能够计算参数的值。因此，通过进行从时间到距离的适当转换，能够获得沿着光纤的物理参数的分布图。

在基于布里渊散射的OTDR中，在散射光谱中测量一个或多个布里渊散射线。这些线的频率相对于探查脉冲的频率发生了移动。根据测量的布里渊散射谱，至少能够提取单个线或多个线的强度以及频移的大小，并使用该信息来确定沿光纤的物理参数。

通常，通过直接探测来测量布里渊散射信号，其中布里渊散射光直接入射到光探测器上，或者通过外差探测来测量布里渊散射信号，其中将布里渊散射信号与来自本地振荡器的信号混合并且传递所产生的差频信号用于探测。

一种测量技术使用光鉴别，其中光学滤波器在Mach-Zehnder干涉仪的两臂之间切换光，并且根据从每个臂出现的光信号的相对强度来获得布里渊散射线的中心频率的估算值[1]。一种相似的过程改为依赖于电鉴别[2]。

基于鉴别器的技术的问题是需要使用宽的输入频谱，以捕获整个范围的潜在的输出信号频率。所需的宽的带宽往往使性能退化。

其它技术基于频率扫描和对每个扫描位置的信号强度/时间的记录。例如，在将过滤的光传递到探测器前，可以在期望的频谱上扫描光学滤波器。光学滤波器可以是Fabry-Perot干涉计，与探查脉冲的脉冲重复频率相比，Fabry-Perot干涉计的扫描较慢。对于每个脉冲，作为时间/沿光纤的距离的函数进行一系列的强度测量，并且还可以对数个脉冲进行平均。对滤波器的每个位置进行一系列的记录，由此能够构成针对沿光纤的每个位置的布里渊散射谱[3]。

替代的途径[4、5]使用微波外差方法，其中在光电二极管上混合反向散射光，从而产生从光域到微波域转移信息的拍频谱。对本地振荡器进行频率扫描，并且微波接收器部分传递被进一步放大、过滤并探测的固定中频，从而产生准-DC信号。后者提供系统带宽内的功率作为沿光纤的位置的函数的指示。

对于此各种扫描方法，由于必须在两个维度中对信号进行平均，所以典型地数据采集时间较慢。取决于频偏域中采样间隔和将要覆盖的频率跨度，这可能是一个冗长的过程，在此期间采集必须的但很少使用的信息。对沿光纤的每个位置必须有大的频率范围以确保发现移频，但是频率线本身只占有该范围的一小部分。必须进行线外面的测量以定位该线，但是不包括关于被测量参数的信息。相反，至少在电域中，鉴别方法要求比布里渊散射信号宽得多的接收带宽，以允许可能的频移范围，以及因此遭受增大的噪声的影响。

发明内容

相应地，本发明的第一方面涉及一种用于测量来自光纤的布里渊反向散射的方法，包括：将频率为f₀的相干光探查脉冲发射到光纤中；接收来自所述光纤的反向散射光，所述反向散射光包括至少一个通过布里渊频移从频率f₀移到频率f_B(t)的布里渊散射谱线，所述布里渊散射谱线随时间/沿所述光纤的距离而变化；提供频率为f₁的相干光；在光探测器中将所接收的频率为f_B(t)的反向散射光与频率为f₁的所述相干光混合，以产生差频为ΔF(t)＝f_B(t)-f₁的电信号；使用模拟-数字转换器对所述电信号进行数字化，以便以采样速率对所述电信号进行采样，并从而产生表示所述电信号的一系列数字采样；以及处理所述数字采样以确定作为时间/沿所述光纤的距离的函数的所接收的反向散射光的所述布里渊散射谱线的一个或多个特性。