[发明专利]基于相位的感测

说明书

技术领域

本发明涉及利用询问信号的相位的变化来确定感测参数的传感器， 并且具体而非专门地涉及光纤干涉测量感测。本发明在地震勘测和成像 领域中具有特殊应用。

背景技术

光纤传感器采用一段光纤，该段光纤被布置成使得感测参数使应力 被施加于光纤上。光纤一般被布置成线圈状，尽管也可能是其他布置。 这样的应力引起在该光纤中传播的光信号的相位的变化，这一变化可以 通过干涉测量技术检测到。之前已提出了用于这类变换器(transducer) 的各种不同布置，其中多数都具有卷绕在可变形的芯轴或芯棒上的光纤 线圈，其响应于诸如感测到的振动这样的感测参数而经历径向扩张或收 缩。

这样的光纤传感器可表现出极高的灵敏度，并且具有完全无源的优 点，从而使得在感测变换器中不用采用电源。这样的传感器也已被证实 在需要大传感器阵列的应用中深受欢迎，因为其可以较容易地多路复 用。

这样的应用示例是石油和燃气开采工业中的地震勘测，其中，可以 使用包括成百上千个振动传感器和/或水听器的大型时分复用阵列来感 测入射脉冲的来自海床底下的地质组成的反射。按规则的周期对这样的 阵列进行采样来提供关于现有或潜在的新储藏的3D时延数据。

用该方法来感测存在的问题在于，对于给定采样率，一定幅度阈值 以上的信号会使得基于相位的感测信息发生畸变，并且会引起解调处理 的失败。此效应通常被称为过载或过度(overscaling)，并且取决于测 量信号的频率。在地震系统中，随着入射脉冲的直接到达，尤其(通常 由从水面舰船(vessel)牵引的气枪随着其在阵列上通过)靠近传感器 产生该脉冲时这会造成特定问题。期望能够记录该入射脉冲，而不发生 过度产生的畸变。

在光学计量领域中所公知的是，两个波长的组合可以被用来使用干 涉测量技术来测量相对较大的(例如大约1mm)光程长度达极高的精度。 这具有如下效应，即，传播通过干涉仪的光可以被认为是具有合成波长， 从而生成合成相位或引起相位变化。例如参见R.Dandliker、R.Thalmann 和D.Prongue的“Two-wavelength laser interferometry using superheterodyne detection”Opt.Lett.13，339-(1988)，其描述了能够以合 成波长工作的自由空间干涉仪，其中所述合成波长是由工作在多偏振状 态下的两个激光源生成的。

发明内容

本发明的总体目的是提供改进的感测方法和装置，并且本发明的特 定方面的目的是提供用于使用多路复用的光纤传感器阵列来进行感测 的改进方法和装置。

根据本发明的第一方面提供了

一种询问基于相位的变换器的方法，所述变换器适合响应于感测参 数而提供相位输出，所述方法包括：输入第一和第二输入脉冲到所述变 换器，所述脉冲之间具有延时，响应于所述第一和第二输入脉冲而从所 述变换器接收输出，并且对该输出进行处理，以确定感测参数的度量， 其中，所述输入脉冲中的至少一个包含至少两个不同波长的分量。

这样，变换器可以被认为是响应于通过组合两个不同的输入波长而 生成的合成波长而工作的，从而生成合成相位输出。通过将合成波长布 置为显著大于两个分量波长中的任意一个，使合成相位相对较小，因而 其较不容易受过度影响。此外，由于不需要偏振，所以可提供不太复杂 的物理实现。因此，该方法适用于包括多路复用阵列的现有传感器布置， 并且只需对硬件稍作修改或无需修改。

下面，更加详细地说明可能的实施例的波长和脉冲时序的精确布 置，然而，在特别优选的实施例中，一个脉冲由具有第一波长和第一频 移(λ₁和f₁)的第一分量和具有不同波长λ₂和不同频移f₂的第二分量组 成。脉冲对中的另一脉冲也由两个分量组成，其中，第一分量具有第一 波长λ₁且第二分量具有第二波长λ₂，即，两个脉冲实质上都具有相同的 波长组合。然而，另一脉冲中的两个分量都具有共同的第三频移f₃。